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1、中北大学中北大学课课 程程 设设 计计 说说 明明 书书学生姓名： 学 号： 学 院： 机械工程与自动化 学 院： 机械电子工程 题 目： AAW-400 减振器端盖固有特性分析指导教师：指导教师： 职称职称: : 2011 年 12 月 12 日中北大学课程设计任务书11/12 学年第 一 学期学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 机械电子工程 学 生 姓 名： 学 号： 课程设计题目： AAW-400 减震器端盖固有特性分析 起 迄 日 期： 2011 年 12 月 26 日2012 年 1 月 6 日 课程设计地点： 机械自动化系 指 导 教 师： 系 主 任： 下达任务书日期: 2
2、011 年 12 月 12 日课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书1设计目的：应用有限元技术所学知识，结合机械 CAD 技术基础和机械振动学课程，掌握应用有限元技术求解一般机械结构的固有频率和振型的方法，为以后科学研究和实际应用奠定基础。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：1）设计要求：（1）根据所给 AAW400 减振器端盖图纸，建立 CAD 三维实体模型； （2）应用自选有限元软件，建立其有限元模型（包括网格划分、边界约束等） ；（3）固有频率及振型的求解；（4）并给出前六阶固有频率及对应的振型图。2）原始数据：见下页附图。3设计工作任务及工作量的要求包括课程
3、设计计算说明书(论文)、图 纸、实物样品等：(1)根据所给零件图纸建立合理的实体模型；(2)应用所建实体模型建立有限元模型；(3)对所建有限元模型进行固有特性求解；(4)撰写优化设计说明书一份。课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书4主要参考文献：1王勖成，邵敏.有限单元法基本原理和数值方法.北京：清华大学出版社，19952童秉枢，李学志.机械 CAD 技术基础.北京：清华大学出版社，19943程耀东.机械振动学.杭州：浙江大学出版社，19884倪振华.振动力学.西安：西安交通大学出版社，19855设计成果形式及要求：设计说明书一份，字数 3000-5000 字。6工作计划及进度：2011
4、年 12 月 26 日 12 月 27 日 熟悉题目，查阅相关资料2011 年 1 月 28 日 12 月 30 日 建立实体模型和有限元模型2011 年 12 月 31 日 1 月 1 日 有限元求解、结果分析2012 年 1 月 2 日 1 月 5 日 撰写课程设计论文2012 年 1 月 6 日 答辩系主任审查意见：签字： 年 月 日AAW-400 减振器端盖固有特性分析摘要：采用 solidworks 软件建立了 AAW-400 减振器端盖的三维模型，导入到有限元分析软件 ANSYS 中建立端盖的有限元模型；对端盖进行了模态分析，求得端盖固有频率和振型，为端盖的进一步优化设计提供了理论
5、依据。关键词：solidworks；ANSYS；端盖；有限元；模态分析引言AAW400 减震器端盖是非常重要的机械零件之一。端盖的一般作用：轴承外圈的轴向定位；防尘和密封，除本身可以防尘和密封外，也常和密封件配合以达到密封作用；位于车床电动机和主轴箱之间的端盖，主要起传递扭矩和缓冲减震的作用，使主轴箱的转动平稳。因此该零件具有足够的强度、刚度耐磨性和韧性，以适应端盖的工作条件。结构系统的固有特性重要的是结构的固有频率和振型。模态分析的典型定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。模态分析主要是
6、研究结构或机器部件的振动特性，得到结构的固有频率和振型。振动现象是机械结经常需要面对的问题之一，由于振动会造成结构的共振或疲劳从而破坏结构，所以必须了解结构的固有频率和振型，避免在实际工况中因共振因素造成结构的损坏，对复杂结构进行精确的模态分析将为评价现有结构的动态特性、诊断及预报结构系统的故障、新产品的动态性能的预估及优化设计提供科学的依据。1.ANSYS1.ANSYS 模态分析简介模态分析简介ANSYS有限元分析过程包括四个步骤：1建立模型：指定项目名称和分析标题，然后在前处理中定义单元类型、单元实常数、材料性质和模型几何性质；2加载及求解：定义分析类型和分析选项，施加载荷，进行固有频率的
7、有限元计算，在模态分析中唯一有效的载荷是零位移约束；3扩展模态：将振型写入结果文件，只有扩展模态后才能在后处理中看到振型；4后处理：经过扩展模态后，模态分析的结果包括固有频率、扩展的模态振型、相对应力和力分布将被写入到结构分析结果文件中去。ANSYS提供了16种模态提取方法：（1）子空间迭代法（Subspace）：用于求解特征值对称的大矩阵问题；（2）分块法（Block Lanczos）：也可用于以上的问题求解，收敛速度更快；（2）Power Dynamic法。用于非常大的模型（超过100 000个自由度），主要是用在求解结构的前几阶模态以了解模型特征的问题；（3）缩减法（Reduced）：采
8、用缩减的系统矩阵来求解，较子空间迭代法速度快，但准确性要差一些。使用缩减法时，必须仔细选择主自由度，主自由度选择的不当可能导致不正确的质量分布和不正确的特征值；（5）非对称矩阵法（Unsymmetric）：用于求解模型生成的刚度矩阵、质量矩阵存在不对称的问题；（6）阻尼法：有些问题阻尼不能忽略，阻尼法允许在结构中包含阻尼因素。模态分析属于线性分析一类，在分析过程中只有线性行为是有效的，即使指定了非线性单元，在计算过程中也将忽略其非线性。但材料的性质可以是线性的、非线性的、各向同性的、正交各向异性的、恒定的或与温度有关的，非线性性质被忽略，在分析中必须指定弹性模量和密度。模态分析主要是研究结构或
9、机器部件的固有频率，用有限元法解决工程实际问题已被广泛采纳。只要给出完全模拟实际工况的边界条件及正确的机械振动模型,就可以求解出模型相关参数,对所设计产品进行结构及尺寸上的修正和优化。本文采用ANSYS有限元分析软件对AAW400减震器端盖进行固有特性的分析。ANSYS有限元分析软件可以确定结构的固有频率和振型,从而指导产品设计,避免外力频率和结构固有频率相同,以防止共振现象。3.1 分析对象描述分析对象描述该分析对象为某机床的一个箱体部件，由于该机床在加工过程中，所承受的切削力很大，同时切削的方式又为间断切削，因此在实际加工中发现，让刀现象很严重，根据分析的结果，认为床身的刚度不足是其中一个
10、很重要的方面，需要改善这一问题，就必须要提高机床床身的刚度，床身的基本尺寸如图“ 所示（按某比例缩小），所使用的材料为铸铁。它主要的性能参数如下。图中所示尺寸单位均为mm。端盖材料为45钢，弹性模量210E10GPa，泊松比0.31，密度7850kg/m3。3.23.2 建模及网格划分建模及网格划分1、建模：用solidworks对底座进行三维建模。在齿轮箱实体建模过程中，应忽略其微小结构，对箱体上的倒角、圆角及箱体上所有的等结构可以忽略，这样简化不仅符合有限元建模的规则，也可以减少ANSYS 运行时的求解时间，同时不会对齿轮箱的重量及刚度产生大的影响。2、8 节点Solid45 单元6 网格
11、划分划分网格是建立有限元模型的一个重要环节,划分网格的形式对计算精度和计算规模将产生直接影响, 划分网格时应从网格数量、网格疏密等方面考虑以下基本原则:网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲, 网格数量增加, 计算精度会有所提高, 但同时运算规模也会增加, 所以在确定网格数量时应权衡两个因素综合考虑, 且应考虑分析数据的类型。在静力分析时, 如果仅仅是计算结构的变形, 网格数量可以少一些; 如果需要计算应力,则在精度要求相同的情况下应取相对较多的网格。网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格, 这是为了适应运算数据的分布特点。在运算数据变化梯度较大的部位( 如应力集中
12、处) , 为了较好地反映数据变化规律, 需要采用比较密集的网格;而在运算数据变化梯度较小的部位, 为减小模型规模, 则应划分相对稀疏的网格。进行应力分析( 包括静应力和动应力) 适合划分疏密不同的网格, 而计算固有特性时则趋于采用较均匀的网格形式。这是因为固有频率和振型主要取决于结构质量分布和刚度分布, 不存在类似应力集中的现象, 采用均匀网格可使结构刚度矩阵和质量矩阵的元素不致相差太大, 可减小数值计算误差。当网格数量增加到一定程度后, 再继续增加网格时精度提高甚微, 而运算时间却有大幅度增加。所以应注意增加网格的经济性。实际应用时可以比较两种网格划分的运算结果, 如果两次结果相差较大, 可
13、以继续增加网格, 相反则停止运算。3.43.4模态分析结果模态分析结果模态分析结果 振动支架通过螺钉穿过底板上的安装孔固定在振动实验台上, 在有限元模型中, 把振动支架的边界 约束简化为固定与螺钉位置相对应节点的各个自由度来实现对支架的约束。约束定义后, 本文利用Block Lanczos法Block Lanczos法是ANSYS默认的求解方法计算模态最后得到前三阶。Block Lanczos法采用Lanczos算法，是用一组向量来实现递归的。Block Lanczos法适用于大型对称矩阵特征值求解问题，最适合由壳或壳与实体组成的模型。 6 , 固有频率如表2所示。 振动支架前三阶振型及振型的
14、大小只是一个相对的量值（位移相对值 ），它表征的是各点在某一阶固有频率上振动量值的相对比值，反映该固有频率上振动的传递情况，并不反映实际振动的数值。振型数据表和数据图3.5 结论（1）高阶固有振型要比低阶对主轴箱的振动影响大，固有频率越高其振动越剧烈对结构影响就越大，因此高阶振型对主轴箱的动态特性起决定作用。故应避免外界载荷频率过高，对主轴箱造成损坏。一、建立模型1 实体建模用 solidworks 建立实体三维模型2 指定分析标题并设置分析范畴1)定义工作文件名2)定义工作标题3 将实体模型转换为有限元分析从工作目录中导入简化后的实体模型实体模型导入 ansys 中4 定义单元类型为单元类型
15、 solid255 定义材料性能和实常数1)定义材料属性 45 钢泊松比 0.31 弹性模量 210GP2)定义材料属性密度 78501）网格划分单元尺寸控制智能控制6级2）网格划分方式为自由网格3）单元类型设置错误无法划分单元定义类型 solid25 单元低阶，采用更高阶的 solid45 定义单元类型。4）单元类型改为 solid45 六面体单元7 建立有限元模型8 保存有限元模型二、加载及求解1 设置分析类型为 modal2 模态提取方法为 Block Lanczos 设置扩展 6 阶模态3 频率范围为默认4 选择除编号为 1 的单元5 选择 Y 坐标为 0 的节点6 对底面上的节点施加约束7 对底面上的节点施加零位移约束限制所有自由度8 开始求解9 一个警告10 求解完毕11 保存结果三、扩展模态查看振型数据四、后处理1 查看振型图通过如下图片观察一阶、二阶、
