基于HyperWorks的蜘蛛手箱體結構有限元分析與研究

撰文/劉丕晶 覃仕輝 陳杰璋

■415000 常德煙草機械有限責任公司研究所 湖南 常德

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基于HyperWorks的蜘蛛手箱體結構有限元分析與研究

撰文/劉丕晶 覃仕輝 陳杰璋

■415000 常德煙草機械有限責任公司研究所 湖南 常德

以某卷接機組蜘蛛手箱體結構為研究對象，建立了有限元分析模型，利用有限元分析的方法，對箱體結構的模態進行了深入的分析。為蜘蛛手箱體結構的設計及改進提供了參考依據，并根據分析結果提出了針對該機組蜘蛛手箱體結構的改進建議。關鍵詞：蜘蛛手；模態分析；Hyperworks；有限元

我國煙草機械對振動噪聲的研究一直處于較低的水平上。隨著產品性能的日益提升，人們對現代機電產品的環保要求越來越高。蜘蛛手傳動是卷接機組及其重要的組成部分，其作用是將卷煙機上的煙支輸送到接裝機進煙鼓輪上，是機組高精度運轉的機構之一［1］。蜘蛛手箱體作為蜘蛛手傳動的一個主體結構，動態特性對其整體性能的影響尤為重要。箱體結構的設計關系到能否避開內部齒輪的嚙合頻率和風機的運行頻率，而導致在箱體結構某些部位產生數值很大的共振載荷，發出強烈的噪聲，并影響箱體的使用壽命。因此，對蜘蛛手箱體結構的動力性能的研究是卷煙機組減振降噪中一個及其重要的環節。

關于應用CAE對卷煙設備進行分析與研究的文獻不多見。祝智斌［2］研究了蜘蛛手與接煙輪系統幾何模型和運動學模型，研究了煙支交接的運動學特性。陳文［3］闡述了運用三維建模軟件Pro/E和動力學仿真軟件Adams進行虛擬樣機仿真的方法和步驟，并對系統模型進行運動學和動力學仿真，運用虛擬樣機技術，可以提高設計效率。為此，本文通過對以某卷接機組蜘蛛手箱體結構進行有限元模態分析，研究其箱體結構的固有頻率和振動情況，得到了工程上有價值的結果，并提出改進建議，為后面對蜘蛛手箱體結構的優化設計奠定基礎及提供理論依據。

箱體模型建立

a箱體有限元模型建立

蜘蛛手箱體結構內外部結構復雜，所以對箱體進行有限元模態分析時，必須選取整體作為研究對象，首先在PRO/E中建立三維實體模型，考慮到箱體結構有很多細小的結構特征，如裝配工藝孔、定位孔、過渡圓角等，這些特征大多尺寸很小且對結構整體的性能影響很小。通過對其予以忽略或簡化處理，有利于劃分網格，并且可以保證較高的計算精度。最后，把簡化模型導入Hyperworks軟件中，設置參數，劃分網格。

圖1　蜘蛛手箱體結構有限元模型

蜘蛛手箱體結構材料為HT250，其彈性模量：1.38e11pa，泊松比：0.156，密度：7.28e3kg/m3，選取四面體網格，網格單元大小為3mm。設置完成后，開始劃分網格，劃分該箱體模型產生2229124個單元，478884個節點，蜘蛛手箱體結構有限元模型如圖1所示。

箱體有限元模型求解

在結構動力學問題中結構固有頻率和模態振型是動力學問題分析的基礎。在無阻尼自由振動的情況下，結構的固有頻率和陣型可轉化為特征值向量的問題，分析系統自由振動時可以忽略阻尼的影響，可以表示為：

式中，ω—實數，為簡諧運動的頻率，?為任意常數。

將（2）帶入式（1）得：

將其特征行列式展開得到2ω的n次代數式：

箱體結構的模態分析結果

系統是系統的固有特性決定的，與外載荷無關，故不需要設置載荷邊界條件，一般模態分析中唯一需要施加的載荷條件即零位移約束條件，綜合分析Hyperworks中的各種提取方法特點，采用Block Lanczos法求解箱體模態較為合適。

為模擬該箱體結構的實際工作狀態，施加箱體位移約束來計算箱體的模態頻率。表1為蜘蛛手箱體結構的前6階模態頻率，圖1～圖6為前6階模態的振型圖。

表1　蜘蛛手箱體結構模態頻率

圖1　第一階模態振型

圖2　第二階模態振型

圖3　第三階模態振型

圖4　第四階模態振

圖5　第五階模態振型

圖6　第六階模態振型

從表1中結果表明，蜘蛛手箱體的頻率分布較緊密，這與箱體結構復雜的外形結構是相符合的。從各振型圖可以分析出，第一階模態沿Z向（軸輸出方向）作橫向振動，箱體左上端部振幅最大；第二階模態沿Y向（垂直方向）作橫向振動，箱體左下端部振幅最大；第三階模態沿Z向（軸輸出方向）作扭轉振動，箱體左上端部振幅最大；第四階模態X向（前后方向）作扭轉振動，箱體左上端部振幅最大；第五階模態沿X向（前后方向）作橫向振動，箱體后下端部振幅最大；第六階模態沿Y向（垂直方向）作扭轉振動，箱體左上端部振幅最大。

綜合上述分析，可以得出箱體左上端部和后下端部的剛度不足，易與箱體內部激勵和風機激勵發生共振，因此，可以對箱體結構進行改進。因為箱體結構變形多沿著壁厚方向，所以可以考慮通過增大箱體的壁厚或改進后下端部結構來增加箱體剛度。此方法可作為對蜘蛛手箱體結構改進方法的一種探索。

結論

通過對蜘蛛手箱體結構進行模態分析，研究了箱體的固有頻率及振型。對蜘蛛手箱體結構的振型圖和動畫特性，能直觀地分析了箱體的動態特性和薄弱環節，找出箱體產生振動的敏感部位，為后續設計中避開這些頻率或最大限度地減小，避免共振現象，減小振動對箱體結構的影響，同時也為結構的改進設計提供了理論依據及改進建議。

參考：

［1］常德煙草機械有限責任公司，ZJ17卷接機組使用說明書［G］.2009.

［2］ 蜘蛛手-接煙輪系統模型與煙支交接運動學分析［J］.湖南文理學院學報（自然科學版），2015（3）.

［3］陳文，吳磊，趙朝陽，孫斌，沈磊.基于Pro/E和Adams的喇叭嘴機構的運動分析及仿真［J］. 煙草科技. 2011（10）

［4］傅志華，華宏量.模態分析理論與應用［M］.上海.上海交通大學出版社，2000.

劉丕晶（1987-），男，碩士研究生，工程師。主要從事卷煙機械振動與噪聲的研究。