撰文/劉丕晶 覃仕輝 陳杰璋

■415000 常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司研究所 湖南 常德

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基于HyperWorks的蜘蛛手箱體結(jié)構(gòu)有限元分析與研究

撰文/劉丕晶 覃仕輝 陳杰璋

■415000 常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司研究所 湖南 常德

以某卷接機(jī)組蜘蛛手箱體結(jié)構(gòu)為研究對象，建立了有限元分析模型，利用有限元分析的方法，對箱體結(jié)構(gòu)的模態(tài)進(jìn)行了深入的分析。為蜘蛛手箱體結(jié)構(gòu)的設(shè)計及改進(jìn)提供了參考依據(jù)，并根據(jù)分析結(jié)果提出了針對該機(jī)組蜘蛛手箱體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)建議。關(guān)鍵詞：蜘蛛手；模態(tài)分析；Hyperworks；有限元

我國煙草機(jī)械對振動噪聲的研究一直處于較低的水平上。隨著產(chǎn)品性能的日益提升，人們對現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品的環(huán)保要求越來越高。蜘蛛手傳動是卷接機(jī)組及其重要的組成部分，其作用是將卷煙機(jī)上的煙支輸送到接裝機(jī)進(jìn)煙鼓輪上，是機(jī)組高精度運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)之一［1］。蜘蛛手箱體作為蜘蛛手傳動的一個主體結(jié)構(gòu)，動態(tài)特性對其整體性能的影響尤為重要。箱體結(jié)構(gòu)的設(shè)計關(guān)系到能否避開內(nèi)部齒輪的嚙合頻率和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率，而導(dǎo)致在箱體結(jié)構(gòu)某些部位產(chǎn)生數(shù)值很大的共振載荷，發(fā)出強(qiáng)烈的噪聲，并影響箱體的使用壽命。因此，對蜘蛛手箱體結(jié)構(gòu)的動力性能的研究是卷煙機(jī)組減振降噪中一個及其重要的環(huán)節(jié)。

關(guān)于應(yīng)用CAE對卷煙設(shè)備進(jìn)行分析與研究的文獻(xiàn)不多見。祝智斌［2］研究了蜘蛛手與接煙輪系統(tǒng)幾何模型和運(yùn)動學(xué)模型，研究了煙支交接的運(yùn)動學(xué)特性。陳文［3］闡述了運(yùn)用三維建模軟件Pro/E和動力學(xué)仿真軟件Adams進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真的方法和步驟，并對系統(tǒng)模型進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以提高設(shè)計效率。為此，本文通過對以某卷接機(jī)組蜘蛛手箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模態(tài)分析，研究其箱體結(jié)構(gòu)的固有頻率和振動情況，得到了工程上有價值的結(jié)果，并提出改進(jìn)建議，為后面對蜘蛛手箱體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)及提供理論依據(jù)。

箱體模型建立

a箱體有限元模型建立

蜘蛛手箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)外部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以對箱體進(jìn)行有限元模態(tài)分析時，必須選取整體作為研究對象，首先在PRO/E中建立三維實(shí)體模型，考慮到箱體結(jié)構(gòu)有很多細(xì)小的結(jié)構(gòu)特征，如裝配工藝孔、定位孔、過渡圓角等，這些特征大多尺寸很小且對結(jié)構(gòu)整體的性能影響很小。通過對其予以忽略或簡化處理，有利于劃分網(wǎng)格，并且可以保證較高的計算精度。最后，把簡化模型導(dǎo)入Hyperworks軟件中，設(shè)置參數(shù)，劃分網(wǎng)格。

圖1　蜘蛛手箱體結(jié)構(gòu)有限元模型

蜘蛛手箱體結(jié)構(gòu)材料為HT250，其彈性模量：1.38e11pa，泊松比：0.156，密度：7.28e3kg/m3，選取四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元大小為3mm。設(shè)置完成后，開始劃分網(wǎng)格，劃分該箱體模型產(chǎn)生2229124個單元，478884個節(jié)點(diǎn)，蜘蛛手箱體結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示。

箱體有限元模型求解

在結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題中結(jié)構(gòu)固有頻率和模態(tài)振型是動力學(xué)問題分析的基礎(chǔ)。在無阻尼自由振動的情況下，結(jié)構(gòu)的固有頻率和陣型可轉(zhuǎn)化為特征值向量的問題，分析系統(tǒng)自由振動時可以忽略阻尼的影響，可以表示為：

式中，ω—實(shí)數(shù)，為簡諧運(yùn)動的頻率，?為任意常數(shù)。

將（2）帶入式（1）得：

將其特征行列式展開得到2ω的n次代數(shù)式：

箱體結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析結(jié)果

系統(tǒng)是系統(tǒng)的固有特性決定的，與外載荷無關(guān)，故不需要設(shè)置載荷邊界條件，一般模態(tài)分析中唯一需要施加的載荷條件即零位移約束條件，綜合分析Hyperworks中的各種提取方法特點(diǎn)，采用Block Lanczos法求解箱體模態(tài)較為合適。

為模擬該箱體結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)，施加箱體位移約束來計算箱體的模態(tài)頻率。表1為蜘蛛手箱體結(jié)構(gòu)的前6階模態(tài)頻率，圖1～圖6為前6階模態(tài)的振型圖。

表1　蜘蛛手箱體結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率

圖1　第一階模態(tài)振型

圖2　第二階模態(tài)振型

圖3　第三階模態(tài)振型

圖4　第四階模態(tài)振

圖5　第五階模態(tài)振型

圖6　第六階模態(tài)振型

從表1中結(jié)果表明，蜘蛛手箱體的頻率分布較緊密，這與箱體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的外形結(jié)構(gòu)是相符合的。從各振型圖可以分析出，第一階模態(tài)沿Z向（軸輸出方向）作橫向振動，箱體左上端部振幅最大；第二階模態(tài)沿Y向（垂直方向）作橫向振動，箱體左下端部振幅最大；第三階模態(tài)沿Z向（軸輸出方向）作扭轉(zhuǎn)振動，箱體左上端部振幅最大；第四階模態(tài)X向（前后方向）作扭轉(zhuǎn)振動，箱體左上端部振幅最大；第五階模態(tài)沿X向（前后方向）作橫向振動，箱體后下端部振幅最大；第六階模態(tài)沿Y向（垂直方向）作扭轉(zhuǎn)振動，箱體左上端部振幅最大。

綜合上述分析，可以得出箱體左上端部和后下端部的剛度不足，易與箱體內(nèi)部激勵和風(fēng)機(jī)激勵發(fā)生共振，因此，可以對箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。因?yàn)橄潴w結(jié)構(gòu)變形多沿著壁厚方向，所以可以考慮通過增大箱體的壁厚或改進(jìn)后下端部結(jié)構(gòu)來增加箱體剛度。此方法可作為對蜘蛛手箱體結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法的一種探索。

結(jié)論

通過對蜘蛛手箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，研究了箱體的固有頻率及振型。對蜘蛛手箱體結(jié)構(gòu)的振型圖和動畫特性，能直觀地分析了箱體的動態(tài)特性和薄弱環(huán)節(jié)，找出箱體產(chǎn)生振動的敏感部位，為后續(xù)設(shè)計中避開這些頻率或最大限度地減小，避免共振現(xiàn)象，減小振動對箱體結(jié)構(gòu)的影響，同時也為結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計提供了理論依據(jù)及改進(jìn)建議。

參考：

［1］常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，ZJ17卷接機(jī)組使用說明書［G］.2009.

［2］ 蜘蛛手-接煙輪系統(tǒng)模型與煙支交接運(yùn)動學(xué)分析［J］.湖南文理學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2015（3）.

［3］陳文，吳磊，趙朝陽，孫斌，沈磊.基于Pro/E和Adams的喇叭嘴機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析及仿真［J］. 煙草科技. 2011（10）

［4］傅志華，華宏量.模態(tài)分析理論與應(yīng)用［M］.上海.上海交通大學(xué)出版社，2000.

劉丕晶（1987-），男，碩士研究生，工程師。主要從事卷煙機(jī)械振動與噪聲的研究。