基于ANSYS Workbench的隨動系統負載仿真試驗臺的分析研究

于昆昆， 于正林

（長春理工大學機電工程學院，長春130022）

0 引言

隨動系統廣泛應用在軍事、機械制造等領域，其負載仿真技術越來越重要［1］。本文設計了基于閥控雙聯馬達的隨動負載仿真試驗臺，通過ANSYS Workbench對其結構進行了優化設計，使試驗臺結構更加合理。

1 試驗臺整體結構設計

試驗臺工作原理的總體機構如圖1，集成了水平方向和俯仰方向兩套系統。配流座作為負載仿真元件，安裝了雙聯馬達和電液伺服閥，通過其他輔助系統對隨動被試電機施加力矩。所仿真的負載力矩為靜阻、正弦、沖擊和慣性，最高頻率為10 Hz。被試電機的最高轉速為6 000 r/min，最高工作頻率為100 Hz。因此理論上要求試驗臺的固有頻率需要大于100 Hz。

2 試驗臺模態分析

試驗臺模型簡化依照質量等效、質心不變的原則簡化［2］，尤其齒輪箱簡化為形狀一致的質量塊，忽略各小件的影響，地腳簡化為質量等效的圓柱支撐。簡化后模型如圖2所示。

圖2 試驗臺簡化模型

底座材料為鑄鐵，其他材料為45鋼，鑄鐵密度為7 340 kg/m3，彈性模量 110 GPa，泊松比 0.25；45 鋼密度為7 850 kg/m3，彈性模量為210 Pa，泊松比為0.27。固定支撐約束施加在4個地腳的底面上。根據模態原理，試驗臺不施加外力［3］，網格劃分為357 267個單元，720 849個節點，ANSYS Workbench分析結果如圖3所示。

圖3 前四階模態

根據分析結果知，試驗臺最低固有頻率為100.97 Hz，試驗臺在100 Hz工作的時間極短，因此試驗臺不會發生共振，但是為了使試驗臺工作更加穩定，現對其進行變約束模態分析。

圖4 固定支撐施加圖

圖5 變約束前四階模態圖

3 試驗臺變約束模態分析

約束的施加會影響試驗臺的固有頻率［4］。現將試驗臺的地腳數量增加到8個，固定支撐約束施加在8個地腳上，如圖4所示。

ANSYS Workbench的進一步模態分析結果如圖5所示。

試驗臺最低固有頻率為154.63 Hz，相對于4個地腳模態，固有頻率有效提高了50 Hz，離共振區更遠。模態（位移）矢量最大是相對值，不代表機構實際的物理位移［5］，因此對模態分析中的總變量只能表示機構設計中的薄弱環節。

4結語

試驗臺的變約束分析，通過增加地腳數量使固有頻率提高了50 Hz，為試驗臺的結構優化設計指明了方向，對負載仿真試驗的實現具有重大意義。

［1］ 白曉燦.數控機床伺服系統的性能分析及其調整［J］.中國科技博覽，2010（31）：39-40.

［2］ 巫少龍，張元祥.基于ANSYS Workbench的高速電主軸力學特性分析［J］.組合機床與自動化加工技術，2010（9）：20-22，26.

［3］ 張澤安.新型負載模擬器的理論分析與仿真研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

［4］ 寧連旺.ANSYS有限元分析理論與發展［J］.山西科技，2008（4）：65-68.

［5］ 浦廣益.ANSYS Workbench 12基礎教程與實例詳解［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.