基于ANSYS workbench的上料機十字軸模態分析

任有志 趙佳興

摘 要：利用SolidWorks對長軸進行建模裝配，導入ANSYS中先進行靜力學分析，得到長軸的強度和剛度特性，然后進行模態分析，得到長軸的前六階固有頻率及相應的變形云圖，從而為長軸的設計改進提供依據以及為電機運行頻率提供參考。

關鍵詞：模態分析;SolidWorks;十字軸;有限元

中圖分類號：TH122文獻標識碼：A

振動是一種常見的物理現象，由于振動而引發的共振、疲勞破壞等會嚴重危害機器的使用壽命以及安全性。模態分析用于振動測量以及動力學分析，其測得的固有頻率、模態振型等參數對于機械結構的安全有極其重大的意義。

自動送料機是一種自動化的材料輸送設備，相比較傳統送料機操作更加的簡便，自動化程度更高，而實現這些環節的自動化將大大提高生產效率，減少成本，減少事故的發生。

兩手臂間距為三米，傳動軸整軸加工成本高，而且難以保證精度，為降低成本，將整軸改為十字軸結構，如圖1所示。

1 靜力分析

上料機的危險位置是手臂與水平方向平行，此時上料機所受重力矩最大，十字軸所受阻力矩最大，上料機最大上料重量為150KG，此時阻力矩為150N·M，將模型存為IGS格式后導入ansys中，設置材料為45鋼，其材料參數如下表1。

劃分網格時選擇的ansys默認四面體網格劃分，指定尺寸為3mm，最后劃分得到單元124912個，節點35442個。

在十字軸的兩端施加兩個固定約束，在鏈輪軸處施加扭矩2160N·M，手臂軸處施加扭矩750N·M，求解可得十字軸的變形圖及最大應力圖如圖2-3所示。

十字軸的最大變形為0.4255mm，發生在十字軸方塊連接以及鏈輪軸軸肩處，最大應力為129.98MPa，小于45鋼的最大屈服應力355MPa，結構安全。

2 模態分析

2.1 模態分析理論

在一般運動系統中，動力學通用運動方程：

2.2 模態分析

在靜力分析項目中，郵寄[Solution]單元，從彈出的菜單中選擇[TransferData to New]-[Modal]，創建模態分析模塊，并且實現了與靜力分析模塊的數據共享。指定模態提取方法為 Blocklanczos，設定模態提取階數為6，即分析十字軸前6階固有頻率。十字軸前六階頻率表2，圖4-9表示其前6階固有頻率對應的振型圖。

3 結論

（1）通過SolidWorks與ansys的聯合仿真，分析了上料機在危險工位處的十字軸的最大變形量與最大應力，驗證其安全性。

（2）通過模態分析得到其前六階固有頻率，在電機根據PWM原理調速時能夠避開這些頻率，避免發生共振，破壞機器。

（3）通過模態分析能夠直觀的看出十字軸各階固有特性，為以后的優化合理改進提供了重要參數，節省試驗成本和時間。

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