基于SolidWorks的食品物料螺旋輸送機螺旋體的模態分析

螺旋輸送機是一種連續輸送機械，結構簡單，密封性能好，便于裝料和卸料，操作方便，在糧食與飼料行業獲得了廣泛的應用。由螺旋芯軸和螺旋葉片構成的螺旋體是螺旋輸送機設計與制造的關鍵部件，設計難度較大。螺旋體在工作時處于旋轉狀態，如果設計不當，當其固有頻率與其工作頻率相等或接近時，則可能發生共振，將嚴重影響整機的工作性能。

傳統設計方法是通過經驗公式得到螺旋體的有關參數，往往裕度較大，與實際工況存在一定差別。應用SolidWorks及其內置的Simulation模塊對一款新設計的螺旋體進行有限元模態分析，預測其動態特性，防止共振的發生，為螺旋體的結構設計提供理論依據。

SolidWorks軟件的特點

Solidworks是法國達索公司針對CAD中端主流市場的主打品牌，與其他常見的主流CAD軟件相比，主要優點有：1.基于Window平臺開發，拖放、點擊、復制剪切粘貼等命令同樣適用于Solidworks操作界面。2. 強大的參數化建模功能使得用戶可以輕松高效的完成草圖、三維零件、裝配體以及工程圖的創建和修改。3. Solidworks內置的Simulation模塊，可以直接對其生成的零件和裝配體進行靜態、熱傳導、頻率、優化和疲勞分析等有限元分析，真正做到了無縫集成，避免了復雜模型數據轉換而容易出現特征丟失的問題。

螺旋體有限元模型的建立和計算

首先根據設計參數建立螺旋體的三維幾何實體模型，并做適當簡化，以便于后期的處理和計算。然后進入Simulation模塊，選擇分析類型為Frequency，之后依次設置材質、約束、網格劃分等參數。材質選用AISI304不銹鋼，密度為8000Kg·m-3，彈性模量為190GPa，泊松比為0.29。螺旋體在實際工況下，由兩端軸承支撐，故在其兩端軸承處均施加軸承支撐約束，另外在動力輸入側端面施加固定約束，以限制轉動自由度。網格的定義和劃分參數均采用默認設置。通過以上步驟處理，得到加上約束并劃分網格的螺旋體限元網格模型。

對該螺旋體有限元模型的求解，一般不需要求出所有的固有頻率和振型，由于低階模態對振動系統的影響較大，因此本文僅計算了前4階模態。得到螺旋體前4階固有頻率和振型特性如表1所示，通過單位換算進一步得到臨界轉速。第一、三階振型圖如圖1所示。

本文通過有限元分析得到了螺旋體前4階固有頻率和振型。根據計算結果，螺旋體的1階固有頻率為30.658Hz，對應的臨界轉速為1839.5r·min-1，大大高于其設計工作轉速為140r·min-1，可知螺旋體的剛性較好，該方案滿足設計要求。