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基于UG的矿用振动筛模态分析-上

 

摘 要: 用 UG 软件对振动筛结构件进行建模,并对结构件进行有限元模态分析。通过自由模态和工况模态分析,计算出在两种模态下振动筛结构件的固有频率和振型,计算结果表明,振动筛振动电机的激振频率远小于振动筛结构件在自由模态下和工况模态下的最小固有频率值,因此振动筛结构件不会发生共振现象,该研究结果可供振动筛结构件设计时参考。
 

引言
用于热熔断体鼓簧分选和安装的振动筛是热熔断体自动装配线中的重要设备之一。如图 1 所示,振动筛通过螺栓固定于 U 型座上,U 型座由弹簧固定轴连接于支架上,U 型座与支架之间安装有四只减振弹簧,安装于 U 型座底面的振动电机产生交变激振力使振动筛实现振动,以保证鼓簧通过振动筛筛孔装入热熔断体铝壳内。

图 1 热熔断体鼓簧矿用振动筛
 

热熔断体鼓簧矿用振动筛机

  1一振动筛2一支架3-L型座4一弹簧固定轴
5一平垫片6一弹簧垫片7-螺母8-减振弹簧9-振动电机
    10一平垫片11一弹簧垫片12-螺栓12一连接螺栓

  从振动筛的实际工况可知,振动筛在交变载荷作用下易发生疲劳失效,通常振动筛的设计是建立在经验和简单的强度计算上的,而运行中的振动筛发生振动现象常常是无法避免的,剧烈的振动不仅会造成振动筛发生共振或疲劳破坏,还会产生高频的噪声,因此对振动筛振动的研究与控制不仅可以延长振动筛的寿命,也可以保证操作人员的身心健康。
  模态分析是对振动进行有效控制的手段之一。为了避免振动筛发生共振、噪声过大等不良现象,以保证振动筛安全可靠运行,对振动筛振动的固有频率、振型及动态特性进行研究具有重要的现实意义。通过对振动筛的模态频率及振型分析可以预测振动筛发生相互影响的可能性,从而通过结构的合理设计避开共振频率。本文采用 UG 软件建立振动筛结构件三维立体模型,然后利用UG 自带的有限元分析模块对振动筛进行结构模态分析。

1 振动筛有限元模型的建立


   模型材料为 Q235,用 UG 库材料 Steel-Rolled 代替,该材料杨氏模量 E=206×103N / mm2,泊松比 NUXY=0. 3,密度 ρ=7. 85×103kg / m3,屈服强度为 235MPa,极限抗拉强度为340 MPa。为了确保网格划分的精确性,对建立的模型进行一定程度的简化,略去所有的螺钉孔和螺钉以及固定用的螺栓,忽略所有圆角、倒角、内螺纹及振动筛侧面固定孔。这样可在保持计算精度的同时,极大减少单元数量,以提高计算速度。在进行三维实体单元网格划分时,对 U 型座采用 3D 四面体网格划分,单元类型为CTETRA( 10) ,单元大小为 15mm,模型共计 17003 个节点,9034 个单元; 对振动筛也采用 3D 四面体网格划分,单元类型为 CTETRA( 10) ,单元大小为 5mm,模型共计165136 个节点,87183 个单元。图 2 为振动筛及 U 型座有限元模型。

振动筛及 U 型座有限元模型

图2为  振动筛及 U 型座有限元模型
 

2 振动筛自由模态分析

  在振动筛的设计过程中,必须对其振动现象作研究。由于振动会造成结构的共振或疲劳,从而破坏结构,因此了解结构本身具有的刚度特性即结构的固有频率和振型,就可避免在使用中因共振因素造成的不必要的损失。模态分析主要用于确定结构的振动特性,比如固有频率和对应的各阶振型,它们是结构承受动载荷的重要参数,也是其他各类动力学分析的基础,因此对振动筛进行模态分析是很有必要的。

  工程中的结构模态分析包括自由模态和工况模态两种类型。自由模态分析是在较少考虑各种边界约束条件下,所得到的结构件固有特性,因而,采用自由模态结构分析得到的结果和结论更有利于后续的对比分析和模型修正。更为重要的一点是自由模态分析可以实现理论计算与试验分析及工况模态分析的对比,验证有限元模型的精度,为有限元模型的进一步修正提供有力的参考,从而在修正的模型之上进一步进行结构优化设计和动态响应分析等。在理论与实践中均发现,结构的低阶模态对结构的振动影响较大,在进行结构模态分析时,常常只需要知道前几阶固有频率和振型,而不必求出全部固有频率和振型,因此在本次计算中只提取了振动筛的前 10 阶模态。

  用 UG 进行自由模态分析时,解算方案类型设为 SE-MODES103,U 型座与支架之间设定为曲面 - 曲面胶合固定连接,在实数特征值抽取数据中选取 Lanczos 法选项,希望的模式数设定为 10 阶。计算结果如表 1 和图 3-6 所示,从表 1 可知,振动筛结构件第 7 阶到第 10 阶的固有频率为 646. 4Hz 到 887. 9Hz,呈逐步上升趋势,振动筛及 U型座前 6 阶固有频率接近 0,自由模态振型为刚性体沿 x、y、z 方向的平动和绕 x、y、z 轴的转动,故不做分析,因此真正意义上的模态应该是从第 7 阶开始的模态。

基于UG的矿用振动筛模态分析-上基于UG的矿用振动筛模态分析-上

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图3-6  自由模态位移云图

图 3 -6为振动筛结构件第 7 阶到第 10 阶自由模态位移云图。从图 3-6可知,振动筛结构件第 7 阶振型以 z 向振动为主,振动筛筛底振幅较大,最大振幅为 2. 397mm; 第 8 阶振型为 x、z向振动,振动筛结构件 x 方向振幅为 0. 4949mm; 第 9 阶是扭转振动,最大振幅发生在 U 型架侧壁; 第 10 阶为 z向振动,其振幅为 2. 28 mm。

表 1 振动筛及 U 型座自由模态固有频率及振型
振动筛及 U 型座自由模态固有频率及振型图

第一点和第二点的内容已完!下一章继续谈到第三点3 振动筛工况模态分析
——基于UG 的矿用振动筛模态分析-下

 

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