髖關節試驗機模態分析

摘要：本文在ANSYS有限元分析環境下，對髖關節試驗機的振動特性進行研究，分析其固有頻率和振型。并根據模態分析的結果，給出試驗機結構設計、安裝和運行時的建議，保障了設備的剛度和穩定性。

關鍵詞：振型;模態分析;固有頻率

固有頻率和主振型是振動系統的自然屬性。為了使系統在工作中避開固有頻率同時減小系統的激勵，以達到消除噪音和過度振動的目的，在設計過程中，往往要對系統進行模態分析。[1]本文運用模態分析理論，采用有限元方法對髖關節試驗機的振動特性進行研究，分析其固有頻率和振型。

1機構描述

本論文所研究的髖關節試驗機[2]（圖1）由動平臺、底板和四根支架組成。支架分別為外圍的3根SPS支鏈及中間一根PS支鏈。

2模態分析

利用Solidworks建立試驗機的實體模型，[3]并在Ansys中進行網格劃分，使用面約束對底板底面進行約束施加零位移約束。

（1）將頻率范圍取為1～10000Hz。選用BlockLanczos方法進行求解。

（2）本試驗機屬于空間多自由度機構，因此，對其在初干擾下的自由振動的研究，主要圍繞低階振型展開。[4]為了提高效率，在此計算前6階陣型。

（3）使用SOLVE求解器進行求解，得到結果（如下表）及陣型圖（圖2）。分析結果中陣型的大小不是系統在固有頻率下的實際振動數值，而是振動量值的相對比值，僅代表了此固有頻率下系統振動的傳遞情況。

3結果分析

（1）由圖2可看出，第一階和第二階固有頻率下，系統具有相似的振型。第一階時，試驗機僅沿著y方向擺動;第二階時，試驗機僅沿著x方向擺動;第三階時，系統整體繞著z軸轉動。在第四階固有頻率下，試驗機外圍的三根支架中有兩根大幅度扭轉，另一支架扭轉幅度較小。第四、五、六階固有頻率下，系統具有相似的振型。

（2）由振型圖可知，試驗機的上支撐板和支架容易發生劇烈振動。考慮到這兩個部位在整個試驗機中相對較薄弱，在設計時，應對其做適當處理。如：選擇高性能材料制作上支撐板和支架、加大這兩個元件的厚度或者增加加強筋等。

（3）通過模態分析結果可知，試驗機的振動形式主要為扭轉和擺動。因此在工作過程中，應保證試驗機具有足夠的支撐穩定性，如增設平衡系統來防止試驗機球鉸鏈和動平臺連接處的運動造成的設備扭轉現象。從而防止機構出現運動不靈活或無法到達預設的運動空間等現象。

參考文獻：

[1]劉金龍人工髖關節并聯仿生試驗機研究[D].中國礦業大學，2011.

[2]湯萍，程剛，顧偉，徐鵬.3SPS+1PS并聯仿生試驗機誤差建模與仿真[J].機械傳動，2012，36（07）：38-42.

[3]詹迪維.SolidWorks產品設計實例精解[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4]張朝暉.ANSYS12.0結構分析工程應用實例解析[M].北京：機械工業出版社，2010.