高速旋转轮盘模态分析

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ANSYS高速旋转轮盘模态分析全面讲解

ANSYS高速旋转轮盘模态分析全面讲解

全面讲解ANSYS高速旋转轮盘模态分析讲解

高速旋转轮盘模态分析

在进行高速旋转机械的转子系统动力设计时,需要对转动部件进行模态分析,求解出其固有频率和相应的模态振型。通过合理的设计使其工作转速尽量远离转子系统的固有频率。而对于高速部件,工作时由于受到离心力的影响,其固有频率跟静止时相比会有一定的变化。为此

,在进行模态分析时需要考虑离心力的影响。我通过该例子学习到了如何用ANSYS进行有预应力的结构的模态分析。

一.例子描述

本例子是对某高速旋转轮盘进行考虑离心载荷引起的预应力的模态分析,求解出该轮盘的

前10阶固有频率及其对应的模态振型。轮盘截面形状如图1所示,该轮盘安装在某转轴上以120 00转/分的速度高速旋转。相关参数为:弹性模量EX=2.1E5Mpa,泊松比PRXY=0.3,密度DE NS=7.8E-9T/mm3。

图1、轮盘截面图

1-5关键点坐标:

1(-10, 150, 0)

2(-10, 140, 0)

3(-3, 140, 0)

4(-4, 55, 0)

5(-15, 40, 0)

L=15

RS=5

二.A nsys求解的具体步骤

1.启动ansys,定义工作名、工作标题

①定义工作名:Example of dynamic

②工作标题:dynamic analysis of a disc

2、选择单元类型

本例将选用六面体结构实体单元来分析,但在建模过程中需要使用四边形平面单元,所有需要定义两种单元类型:PLANE42和SOLID45,设置完成后,如图2,在Element Types (单元类型定义)对话框的列表框中将会列出刚定义的两种单元类型:PLANE42、 SOLID45,

高速旋转机械动态平衡力学分析

高速旋转机械动态平衡力学分析

高速旋转机械动态平衡力学分析引言:

高速旋转机械的动态平衡是确保其正常运行及延长使用寿命的重要

问题。本文将从力学角度出发,对高速旋转机械的动态平衡进行深入

分析,探讨动力学平衡的原理、方法和应用。

一、动态平衡的原理

动态平衡是采用外力或外作用力矩平衡旋转机械在高速旋转过程中

产生的不平衡力或不平衡力矩的一种方法。其原理基于两个重要的因素:一是质量不平衡(使转子发生不平衡运动);二是离心力(使不

平衡力或不平衡力矩产生)。

二、动态平衡的方法

1. 静平衡法:

静平衡法是通过对旋转机械进行静力学分析,确定转子轴线上的受

力情况,进而采取补偿措施来实现平衡。可以通过加重、镶嵌等方法,在转子轴线上加上平衡块来实现静平衡。

2. 动平衡法:

动平衡法是通过对高速旋转机械进行动力学分析,在转子上安装试

重块,通过试验测量不平衡处的振动情况,然后调整试重块位置,减

小或消除振动。动平衡法更适用于高速旋转机械,可以较好地解决质

量分布不均匀引起的不平衡问题。

三、动态平衡的应用

1. 汽车发动机的平衡

汽车发动机作为一个高速旋转机械,在运行过程中会产生振动和噪音,严重影响乘坐舒适性及使用寿命。应用动态平衡技术可以减小发动机的振动和噪音,提高整车的使用体验。

2. 飞机发动机的平衡

飞机发动机的平衡对于航空安全至关重要。在高速旋转过程中,发动机的不平衡将导致飞机的晃动和不稳定。通过动态平衡技术,飞机发动机可以实现精确的平衡,提高飞行安全性。

3. 工业设备的平衡

工业设备包括离心机、涡轮机、高速电机等,在运行过程中往往会产生较大的振动和噪音。这些振动和噪音不仅影响设备稳定运行,还可能损坏设备。采用动态平衡技术可以有效减小设备的振动和噪音,提高设备的可靠性。

高速转轴模态分析步骤

高速转轴模态分析步骤

1、在Preferences中选择Structural;

2、在Preprocessor---Element Type中添加单元类型,Material Props中设置材料属性,包括弹性模量,泊松比,密度;

3、在File---import中导入三维模型(选择CA TIA而不是CATIA 5);

4、划分网格MeshTool;

5、在Element Type中添加弹簧单元;

6、建立弹簧的两个端点:a、内端点通过a=node(X,Y,Z)求得已知三维坐标最近的节点,在

Parmeters---Scalar Parmeters中查看相应节点的编号

b、外端点通过n,node,X,Y,Z,THXY,THYZ,THZX 知道外端点的编号;

7、Parmeters---Scalar Parmeters中查看相应节点的编号;

7、在Meshing---Mesh Attributes---Default Attribs中设置成弹簧单元;

8、通过e,Nnum1,Nnum2命令连接两个端点成了弹簧;

9、在Preprocessor---Real Constants中设置弹簧的刚度;

10、在弹簧的内端轴向约束,外端全部约束;

11、设置模型的转速

12、在Solution---Analysis Type中设置模态分析

13、求解

14、读共振频率;

15、观看变形模型

第12章 周期对称结构的模态分析

第12章 周期对称结构的模态分析

应用力学研究所
李永强
§9.2 建立模型
建立轮盘截面
(32)单击菜单Utility Menu | PlotCtrls | Numbering,弹出Plot Numbering Controls对话框,单击Line numbers复选框,使其处于非选中状态,关闭线编 号的显示。 (33)单击Utility Menu | Plot | Areas,在图形窗口显示面图元,如图所示。
点编号),在创建最后一个关键点17时,单击OK按钮,关闭创建关键点对话框。
应用力学研究所
李永强
§9.2 建立模型
建立轮盘截面
( 6 ) 单 击 菜 单 Utility Menu | PlotCtrls | Numbering , 弹 出 Plot Numbering Controls(图元编号显示控制)对话框。 (7)单击Keypoint numbers(关键点编号)复选框使其选中。 (8)单击Line numbers(线编号)复选框使其选中。 (9)在Numbering shown with(编号显示形式)下拉列表中选择Numbers only (仅显示编号) ,如图所示。 (10)单击OK按钮,使设置生效。
设定分析作业名和标题
定义单元类型 定义材料属性
创建均压孔
对基本扇区进行分割 定义周期对称分析选项
建立轮盘截面
对盘截面进行旋转生成实体

旋转机械的固有振动模态分析

旋转机械的固有振动模态分析

旋转机械的固有振动模态分析

旋转机械是指转子在运行过程中产生旋转运动的机械设备,如发动机、泵、电机等。由于旋转机械的工作环境和工作方式的不同,其内部会存在各种振动模式,这些振动模态的研究对于机械的设计和维护至关重要。

首先,我们需要了解什么是固有振动模态。固有振动模态指的是物体在没有受到外力作用时,仅由于其结构形状和材料特性而产生的自由振动形式。旋转机械的固有振动模态分析可以帮助我们了解机械的振动特性,进而判断机械是否存在结构强度不足、材料疲劳等问题。

旋转机械的固有振动模态分析通常通过模态分析方法来进行。模态分析是指通过求解机械系统的动力学方程,得到机械系统的固有频率和振型。常用的模态分析方法有有限元法、边界元法等。

在进行固有振动模态分析之前,我们首先需要建立旋转机械的运动模型。对于简单的旋转机械,可以将其简化为质点和弹簧系统。通过建立旋转机械的动力学方程,可以得到机械系统的固有频率和振型。

在实际的固有振动模态分析中,我们需要进行数值计算。通过将机械系统建立为有限元模型,利用有限元分析软件进行计算,可以得到机械系统的固有频率和振型。在进行有限元计算时,需要注意选择合适的网格划分和元素类型,以保证计算结果的准确性。

通过固有振动模态分析,我们可以得到机械系统的固有频率和振型。固有频率是指机械系统在自由振动时的振动频率,其大小与机械系统结构和材料特性有关。振型则是机械系统在自由振动时的形变形式,可以揭示机械系统的振动分布情况。

对于旋转机械而言,其固有振动模态分析还可以帮助我们了解机械系统在不同转速下的振动特性。通过改变转速,我们可以观察机械系统固有频率的变化。如果

高速动车组车轴的模态分析与优化设计

高速动车组车轴的模态分析与优化设计

高速动车组车轴的模态分析与优化设计

车轴是高速动车组重要的承载部件之一,对列车的安全性、平稳性和乘坐舒适

度有着重要的影响。为了满足运行速度的要求,提高车辆的稳定性和行驶平顺性,对车轴进行模态分析与优化设计是必不可少的。

模态分析是通过对车轴进行有限元建模,并对其进行振动特性的计算和分析。

具体的步骤包括有限元建模、求解特征值、振型分析和模态参数计算。通过模态分析可以得到车轴在不同频率下的振动模态和振型,进而可以评估车轴的结构强度和稳定性。同时,还可以确定车轮与轨道之间的共振关系,避免共振引起的不稳定运动和振动。

优化设计是指在满足车轴强度和稳定性要求的前提下,通过优化车轴的结构参

数和材料性能,使车轴的质量降低、自振频率提高、动态特性改善。具体的优化设计包括减少材料密度、增加截面强度、改善材料的疲劳性能等。通过优化设计可以提高车轴的稳定性和寿命,减少动车组在高速运行过程中的振动和噪声。

在进行车轴的模态分析与优化设计时,需要考虑以下几个关键问题:

首先,选择合适的有限元建模方法和模型精度。有限元模型应该能够准确描述

车轴的几何形状和材料特性,并能够有效地计算车轴的振动特性。模型的精度对于振动特性和优化结果的准确性具有重要影响。

其次,要考虑车轴的边界条件和荷载情况。在模态分析中,边界条件通常包括

车轮与轴颈接触的约束和轨道对车轮的约束。荷载情况包括列车的加速度、制动力、曲线力等。边界条件和荷载情况对车轴的振动特性有着明显的影响,需要进行合理的设定和计算。

再次,要综合考虑车轴的强度和稳定性要求。车轴在运行中所承受的载荷很大,必须能够满足一定的强度和刚度要求。同时,要保证车轴的稳定性,避免振动过大

旋转轮的有限元分析

旋转轮的有限元分析

旋转轮的有限元分析

一、分析的意义

本文将利用ansys软件对一个旋转轮进行有限元分析。旋转轮结构广泛应用于机械制造的各个领域,汽车轮毂和齿轮就是旋转轮结构的常见应用。对于轮毂行业来说,采用有限元分析软件可以对解决轮毂行驶过程中所涉及的接触冲击碰撞问题进行有益的尝试;有限元软件的应用对企业来讲,可以提高材料的有效利用率,降低生产成本,缩短了设计周期,同时间接增强了企业的研发能力。

二、基本参数

旋转轮一方面高速旋转,角速度为62.8rad/s,另一方面受到压力作用,压力的大小为1×106Pa。轮的内径为5mm,外径为8mm。具体参数如表1所示:

表1 基本参数

问题模型如图1所示:

图1 模型图

三、分析过程

本文分析的旋转轮,除旋转外,轮的边缘同时受到压力的作用,可以把轮看作是轴对称问题进行分析。

1、设定分析作业名。标题:static analysis of a roter。菜单过滤参数选

择中选中structural复选框。

2、定义单元类型。选用四边形四节点板单元PLANE182,在单元行为方式下

拉列表中选择轴对称(Axisymmetric)。

3、定义材料属性。定义材料的弹性模量、泊松比和密度。

4、建立平面模型。如图2所示。

图2 平面有限元模型

5、网格划分。选择自由网格划分对轮的截面进行网格划分,结果如图3所示。

图3 网格划分结果

6、定义边界条件并求解。1)施加轴对称位移;2)施加固定位移;3)施加

压力载荷;4)施加速度载荷;5)求解。施加结果如图4所示。

图4 载荷施加结果

7、查看结果。

1)旋转结果坐标系。将结果坐标系旋转到柱坐标下,方便查看结果。

高速旋转轮盘模态分析.

高速旋转轮盘模态分析.

密度DENS=7.8E-9T n/mm。高速旋转轮盘模态分析

在进行高速旋转机械的转子系统动力设计时,需要对转动部件进行模态分析,求解出其固有频率和相应的模态振型。通过合理的设计使其工作转速尽量远离转子系统的固有频率。而对于高速部件,工作时由于受到离心力的影响,其固有频率跟静止时相比会有一定的变化。为此,在进行模态分析时需要考虑离心力的影响。通过该实验掌握如何用ANSYS进行有预应力的结构的模态分析。

一.问题描述

本实验是对某高速旋转轮盘进行考虑离心载荷引起的预应力的模态分析,求解出该轮盘的前5阶固有频率及其对应的模态振型。轮盘截面形状如图所示,该轮盘安装在某转轴上以12000转/分的速度高速旋转。相关参数为:弹性模量EX=2.1E5Mpa,泊松比PRXY=0.3,

3

1-5关键点坐标:

1(-10,150,0)

2(-10,140,0)

3(-3,140,0)

4(-4,55,0)

5(-15,40,0)

L=10+(学号×0.1)

RS=5

二.分析具体步骤

1.定义工作名、工作标题、过滤参数

①定义工作名:Utility menu>File>Jobname

②工作标题:Utility menu>File>Change Title(个人学号)

2.选择单元类型

本实验将选用六面体结构实体单元来分析,但在建模过程中需要使用四边形平面单元,所有需要定义两种单元类型:PLANE42和SOLID45,具体操作如下:

Main Menu>Preprocessor>Element T ype>Add/Edit/Delete

catia轮毂建模 ansys分析

catia轮毂建模 ansys分析
此次设计也让我明白了思路即出路,有什么不懂不明白的地方要及时请教或查阅相关资料,只要认真钻研,动脑思考,动手实践,就没有弄不懂的知识。课设过程中,也对团队精神进行了考察,让我们在合作起来更加默契,在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量,只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。总而言之,这次课设我受益匪浅,在此,我要感谢我的指导老师以及帮助我的那些同学!
Main Menu >Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete
Structural Solid”→“Quad 8node45”→ok
定义材料的弹性模量EX
Main Menu >Preprocessor > Material Props > Material Models> Structural > Linear > Elastic >Isotropic
图1-5 生成实体轮毂
将所生成的实体保存于数据库中。
二.导入及网格划分过程
1.导入
将已经建好的catia模型保存为modal格式存入指定盘中,打开ansys10.0——file——import——catia,选择保存的catia文件,导入结果如下图:
图2-1导入ansys的轮毂模型
2.网格划分
(1)选择单元类型

磁悬浮轴承-转子系统的理论与试验模态分析

磁悬浮轴承-转子系统的理论与试验模态分析

磁悬浮轴承-转子系统的理论与试验模态分析磁悬浮轴承是一种通过磁力悬浮和控制的方式来支撑和旋转转子的轴承系统。它拥有许多优点,比如无接触、无磨损、低噪音和高转速等,因此被广泛应用于高速旋转机器领域,比如发电机、风力机和压缩机等。磁悬浮轴承的转子系统的理论和试验模态分析是磁悬浮轴承研究中的一个重要方面,它对于磁悬浮轴承系统的优化设计和故障诊断具有重要意义。

1.轴承系统的结构与工作原理

磁悬浮轴承系统由上、下磁轴承和转子组成。上、下磁轴承分别位于转子的两端,它们通过电磁力和磁悬浮控制系统来支撑和操控转子的运动。磁悬浮轴承系统的工作原理是利用磁场产生的磁力来支撑转子,从而实现无接触悬浮。

2.磁悬浮轴承的理论模态分析

理论模态分析是研究磁悬浮轴承系统振动特性的一种重要方法。通过对磁悬浮轴承系统的结构和动力学方程进行建模,可以得到系统

的模态特性,包括自然频率、模态形态和模态阻尼等。通过理论模态分析可以为磁悬浮轴承系统的优化设计和性能改进提供理论依据。

3.磁悬浮轴承的试验模态分析

试验模态分析是通过实验手段研究磁悬浮轴承系统的振动特性。通过在实验室或现场进行振动测试和频谱分析,可以得到系统的实际振动特性,包括模态参数、共振频率和振动模态等。试验模态分析可以验证理论模态分析的结果,同时也可以为系统的故障诊断和状态监测提供重要信息。

4.磁悬浮轴承系统的模态优化设计

磁悬浮轴承系统的模态特性直接影响着系统的动态稳定性和运行性能。因此,通过对系统的模态特性进行分析和优化设计,可以提高系统的抗干扰能力和动态性能。常见的优化方法包括结构优化、控制系统设计和材料选择等。

2模态分析_坎贝尔图

2模态分析_坎贝尔图

涡动
当一个旋转结构振动时,转动轴上的一点会在一根轨道上运动,称之 为涡动,绕轴旋转的方向如果与转动速度方向相同,称之为向前涡动 (FW),反之称为向后涡动(BW)
第11_1阶模态
第11_2阶模态
第11_3阶模态
第11_4阶模态
第11_5阶模态
坎贝尔图
由于陀螺效应,旋转结构的特征频率与其旋转速度相关, 计算不同旋转速度时的频率,可以得到各个模态频率随转动 速度的变化曲线,称之为坎贝尔图
轴ห้องสมุดไป่ตู้ 长 2m 半径 0.05m
旋转速度: 0~20000 RPM,10等分 转动惯量: 2 kgm^2 1 kgm^2
about Z (spin axis) about X and Y
模态图形显示—迹线
在/POST1中,对线单元 用PLORB命令显示模型旋转轴线上单元节点的轨迹 用PRORB命令输出模型旋转轴线上单元节点的轨迹信息 根据坎贝尔图判断模态排序
ANSYS在各个特定的转速 计算特征频率,随载荷步的增 加,转速增加,生成坎贝尔图 需要在各个不同转速的载荷步 频率结果。 如果陀螺效应对模态影响 很明显,当转速增加时,这个 模态的频率曲线可能偏离,越 过另一个模态的频率曲线。 由于在旋转参考系中,随 转速增加时,自振频率会有突 变,建议在固定坐标系中生成 坎贝尔图。
临界转速
PRCAMP命令打印出对同步不平衡力和不同 步不平衡力的临界转速,坎贝尔图上频率曲线和 F=s*ω代表的曲线的交点,就是临界转速点,由 于临界转速是由图上决定的,它们的精度取决于 坎贝尔图的质量

基于ANSYS的高速轮盘动力学模态分析

基于ANSYS的高速轮盘动力学模态分析

个 连 续 的结 构 化 分 成

/ 对 应 的 刚 度 矩 阵 质 量 矩 阵 和 阻 尼 矩 阵 { / } { 正 }分 别 为
、 , 、
有 限多个离散结构彼此 只在有 限个节点处 相互 连 接 的

加速度 列 阵 和 速 度 列 阵

根 据 达 朗 贝 尔 原 理 只要 在 研 究
, ,
作 为 真 实 结 构 的近 似 力

有 限 元 分析 理 论 与 工 程 应用 [ M ]


片 且 榴 弹 中部 破 片 的速 度 比 头 部 和 底 部 破 片 的速 度 大

北 京 : 电 子 工 业 出版 社 2 0 0 6


起爆 后
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有 限 元 法概 述 有 限元 法 是 当今 解 决 工 程 问题 和 数 学 物 理 问题 中应

高速长轴转子振动的模态分析

高速长轴转子振动的模态分析

高速长轴转子振动的模态分析

程道来1,高相龙2,纪林章2,仪垂杰3

(1.上海应用技术大学轨道交通学院,上海201418;2.上海应用技术大学机械工程学院,

上海201418;3.青岛理工大学能源与动力装备研究发展中心,山东青岛266033)

来稿日期:2017-11-11

基金项目:上海应用技术大学实验室建设项目资助(10210D150008)

作者简介:程道来,(1965-),男,湖南常德人,博士研究生,教授,主要研究方向:

振动噪声测试与分析、机械故障诊断1引言

对购买的某转速高达10000r/min 转子实验台在给学生做试验前进行了升、降速完整振动特性调试出现在逐渐升速过程中,实验台及转子振动越来越大,当转子转速接近临界转速时,振动非常剧烈,过第一阶临界转速时,振动依然非常剧烈,直到转子超过临界转速600r/min 后,振动骤然下降为正常的振动;继续升速,当转子升速到10000r/min 接近电机最高转速时,振动明显加,然后降速,振动逐渐恢复到正常状态。降速转子再经过临界转速时,振动又变得非常剧烈,而后转速慢慢低于临界转速后,振动渐渐

变小,直到转子转速变为0时,振动现象消失。顺时针旋转某圆盘

90°,再启动实验台,匀速提升转速达到3200r/min 后,实验台开始

发生剧烈振动,转速更是在3210r/min 左右来回变化,不能再提速,只得降低转速降回到0。

经过几次调试都出现上述类似情况。为保障转子实验台振动正常测试,也为避免试验中因振动过大可能对学生带来的安全问题,对“超高速实验台转子过临界时异常振动的比较分析”进行探讨。

模态分析

模态分析

模态分析

定义:模态分析用于确定设计结构的振动特性(固有频率和振型),他们是承受动载荷的结构设计中的重要参数。同时,也是瞬态分析、谐响应分析,谱分析的的起点。

模态分析是一种线形分析,任何非线性均被忽略,可以进行有预应力的模态分析。

模态提取方法:

1.block lanczos(分块兰索斯法)适用于大型对称特征值求解问题

2.subspace(子空间法)适用于大型对称特征值求解问题

3.powerdynamics法,用于大模型。

4.reduced(缩减法)速度快,精度低

等等......

模态分析的基本步骤

1.建模

2.加载及求解

3.扩展模态

4.结果后处理

(1)模型的建立

只有线性行为是有效的;必须指定ex和dens,非线性行为被忽略。

(2)加载及求解

1.指定分析类型为模态分析。restar是无效的,若施加不同的边界条件,须重做分析。

mode extraction method(模态提取方法)

no.of modes to extract(模态提取阶数)该项对除缩减法以外的方法都是必须的。

no.of modes to expend(模态扩展数)次项只在采用缩减法,非对称法,阻尼法时要求设置。若要得到单元求解结果,则无论采用何种模态提取方法都需要打开“calculate elem results”项。

use lumped mass approx?(质量矩阵形成方式),一般采用默认,有梁或壳单元,采用集中质量矩阵会有很好的结果。

incl prestress effect?(预应力影响计算)

2.定义主自由度

ansys在模态分析中的应用

ansys在模态分析中的应用

轮盘模型如图:
轮盘模型东南轴等测图:
该轮盘安装在某转轴上以 1200转/分的速度高速旋转。
EX=2.1e5Mpa PRXY=0.3 Dens=7.8e-9Tn/mm^3
Ansys模型建立
平面模型建立
Ansys模型建立
采用扫略网格 划分的方法, 先划分截面上 的网格然后扫 略生成体网格, 平面网格采用 plane42号单元, 体网格采用 solid45号单元。
3.Ansys的模态分析实例
高速旋转轮盘模态分析
在进行高速旋转机械的转子系统动力设计时,需要对 转动部件进行模态分析,求解出其固有频率和相应的 模态振型。通过合理的设计使其工作转速尽量远离转 子系统的固有频率。而对于高速部件,工作时由于受 到离心力的影响,其固有频率跟静止时相比会有一定 的变化。为此,在进行模态分析时需要考虑离心力的 影响。
1.基本原理
得到位移幅值U的齐次方程:
([K]2 M ){U} 0
为得到U的非零解,只能使系数行列式为0,即:
K2M 0
该式称为体系的频率方程。将其展开可以得到关于 2
的n次代数方程。求出方程的n个跟即可 得到n个自振频率 1 2 3...
2.Ansys的模态分析步骤
1,建立模型 (ansys模态分析是一个线性分析,在定义单元时只
模态求解过程
模态求解过程中唯 一有效的荷载是零 位移约束,其他荷 载(包括前面精力 求解过程中定义的 角速度)将被忽略, 所以这里可以直接 进行求解,求解时 在modal solution options勾选考虑 预应力影响。

基于iSIGHT平台的转盘优化设计

基于iSIGHT平台的转盘优化设计

基于iSIGHT平台的转盘优化设计

摘要:针对高速转盘的设计问题,利用大型有限元分析软件ansys 对高速转盘进行参数化建模,应用apdl参数化程序设计语言将有限元分析与优化设计结合起来,在isight优化平台上,采用序列二次规划优化算法对高速转盘的结构尺寸进行优化设计,有效地解决了子系统之间的耦合和并行优化设计。从结果分析中可以看出,最大应力较优化前减少了15.31%,提高了应力分布的合理性,并极大的节省了计算周期,认为该方法应用于高速转盘的结构优化设计是有效可行的。

关键词:isight;高速转盘;有限元分析;优化设计

1 引言

高速转盘是注塑机、汽车、石油钻机等设备在驱动部分的关键部件,广泛应用于工业生产的各个领域。高速转盘作为机构的重要部件,在正常工作的情况下,其特性直接影响到整体设备的可靠程度。本中选取注塑机的高速转盘,对其进行分析设计优化。注塑机具有高速、高效率的特点,因此对系统零部件在加工精度、稳定性等方面的要求也较高。近年来,随着有限元技术的快速发展,国内外一些学者也对其进行了优化分析。赵雨旸[1]等应用有限元方法建立了三轴飞行模拟转台框架的数学模型,编制复杂的优化设计程序,实现了优化设计;陈明[2]等通过ansys有限元分析方法对高速转盘进行分析;曹淼龙[3]等建立了转盘优化模型,通过标准数据访问接口(sdai)来实现对数据表达和交换系统(step)数据的访问

和操作,分析了转盘工作时的位移和应力。以上的设计[4,5]有着设计模型粗糙,计算周期长等不足。针对以上高速转盘在设计中存在的问题,选用ansys作为主流分析软件对其进行分析,在isight 软件平台上将ansys集成起来,对高速转盘进行分析优化,得到了合理的设计尺寸,并极大的缩短了计算周期。

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高速旋转轮盘模态分析

在进行高速旋转机械的转子系统动力设计时,需要对转动部件进行模态分析,求解出其固有频率和相应的模态振型。通过合理的设计使其工作转速尽量远离转子系统的固有频率。而对于高速部件,工作时由于受到离心力的影响,其固有频率跟静止时相比会有一定的变化。为此,在进行模态分析时需要考虑离心力的影响。通过该实验掌握如何用ANSYS进行有预应力的结构的模态分析。

一.问题描述

本实验是对某高速旋转轮盘进行考虑离心载荷引起的预应力的模态分析,求解出该轮盘的前5阶固有频率及其对应的模态振型。轮盘截面形状如图所示,该轮盘安装在某转轴上以12000转/分的速度高速旋转。相关参数为:弹性模量EX=2.1E5Mpa,泊松比PRXY=0.3,

密度DENS=7.8E-9Tn/mm 3。

1-5关键点坐标:

1(-10, 150, 0)

2(-10, 140, 0)

3(-3, 140, 0)

4(-4, 55, 0)

5(-15, 40, 0)

L=10+(学号×0.1)

RS=5

二.分析具体步骤

1.定义工作名、工作标题、过滤参数

①定义工作名:Utility menu > File > Jobname

②工作标题:Utility menu > File > Change Title(个人学号)

2.选择单元类型

本实验将选用六面体结构实体单元来分析,但在建模过程中需要使用四边形平面单元,所有需要定义两种单元类型:PLANE42和SOLID45,具体操作如下:

Main Menu >Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete

①“ Structural Solid”→“ Quad 4node 42” →Apply(添加PLANE42为1号单元)

②“ Structural Solid”→“brick 8node 45” →ok(添加六面体单元SOLID45为2号单元)

在Element Types (单元类型定义)对话框的列表框中将会列出刚定义的两种单元类型:PLANE42、SOLID45,关闭Element Types (单元类型定义)对话框,完成单元类型的定义。

3.设置材料属性

由于要进行的是考虑离心力引起的预应力作用下的轮盘的模态分析,材料的弹性模量EX 和密度DENS必须定义。

①定义材料的弹性模量EX

Main Menu >Preprocessor > Material Props > Material Models> Structural > Linear >

Elastic >Isotropic

弹性模量EX=2.1E5

泊松比PRXY=0.3

②定义材料的密度DENS

Main Menu >Preprocessor > Material Props > Material Models>density

DENS =7.8E-9

4.实体建模

对于本实例的有限元模型,首先需要建立轮盘的截面几何模型,然后对其进行网格划分,最后通过截面的有限元网格扫描出整个轮盘的有限元模型。具体的操作过程如下。

①创建关键点操作:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Keypoints > In Active CS 列出各点坐标值Utility menu >List > Keypoints >Coordinate only

②由关键点生成线的操作:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Lines > In Active Coord

③建立圆角:Preprocessor > Modeling > Create > Lines > Lines > Lines Fillet

④生成面:Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create >Areas >Arbitrary >By Lines(逆时针选线)

1 2 3 4 5 13 14 15 16

8

9

10 11 12 Y

5.划分网络

Main Menu >Preprocessor >Meshing >MeshTool

①对全局进行设置。单击Size Controls (尺寸控制区)全局设置项(Global)的Set 按钮,将弹出Global Element Sizes 单元尺寸全局设置对话框在对话框中输入Element edge Length (单元边长度)为6。

②单击Size Controls (尺寸控制区) Lines (线设置项)的按钮,将弹出Element Size on Picked Lines (在所选线上定义单元尺寸)的拾取对话框。 用鼠标左键在图形输出窗口中拾取圆角对应的线。 单击ok 按钮,将弹出Element Size on Picked Lines (在所选线上定义单元尺寸)对话框,在对话框中输入No. of element divisions (每条线将要分成的单元数)为1,设定圆角处对应的线只分一个单元。(由于是模态分析,只要能反应出需要知道的前几阶模态就行,而不需要知道具体的应力值,所以不需要对此处进行单元细化。)

③对分网进行控制。在分网控制区的Mesh 下拉框中选定分网类型为Area (面),Shape (网格形状)设置为Quad (四边形),分网方式设置为Free (自由分网)。

④对面进行分网。在MeshTool (分网工具)对话框中单击Mesh 按钮,将弹出Mesh Aeras (对面

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