李亞++高強(qiáng)

摘 要：文章首先采用SolidWorks軟件建立碎紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的三維模型，針對(duì)碎紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)三維模型再運(yùn)用Altair Hyperworks分析軟件建立。其有限元模型；然后對(duì)碎紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到固有頻率與振型并給出評(píng)價(jià)，為碎紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能分析提供合理的參考。

關(guān)鍵詞：碎紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)；有限元分析；模態(tài)分析

隨著社會(huì)的飛躍發(fā)展以及科技的快速進(jìn)步，人們的保密意識(shí)正在逐漸加強(qiáng)，而碎紙機(jī)正是可以非常有效地幫助人們保護(hù)自身隱私的一種工具，并且現(xiàn)在越來越被人們所認(rèn)可。而傳統(tǒng)碎紙機(jī)的設(shè)計(jì)多依賴設(shè)計(jì)人員的過往經(jīng)驗(yàn)，多采用與過往產(chǎn)品進(jìn)行比較的傳統(tǒng)計(jì)算，通過制作實(shí)驗(yàn)樣機(jī)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性，無法精確的計(jì)算設(shè)計(jì)邊界，造成設(shè)計(jì)過于安全，材料被大幅浪費(fèi)，增加了各項(xiàng)成本。

為滿足消費(fèi)者的需求，提升企業(yè)的生產(chǎn)效率，縮短碎紙的設(shè)計(jì)周期，降低生產(chǎn)成本，采用有限元分析技術(shù)對(duì)碎紙機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，進(jìn)一步了解碎紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性具有十分重要的意義。

1 模態(tài)分析

1.1 模態(tài)分析理論

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由有限元計(jì)算的方法獲取，稱為計(jì)算模態(tài)分析。在線性條件下，多自由度系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)微分方程為：

M為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣，C為結(jié)構(gòu)阻尼矩陣，K為結(jié)構(gòu)剛度矩陣，X為結(jié)構(gòu)位移向量，結(jié)構(gòu)度向量，為結(jié)構(gòu)加速度向量，P（t）為載荷向量，M為慣性力向量，C為阻尼力向量，KX為彈性力向量。

假設(shè)結(jié)構(gòu)處于自由狀態(tài)，來分析結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，即載荷向量P（t）=0。由于在求結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型時(shí)，阻尼的影響不大，所以阻尼力向量C這項(xiàng)可以略去，則無阻尼多自由度系統(tǒng)的自由振動(dòng)微分方程為：

此時(shí)結(jié)構(gòu)作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，則令X=Asinωt，那么系統(tǒng)的特征方程為：

其中A為結(jié)構(gòu)的模態(tài)向量

上式中A要有非零解，則必須滿足：

K和M都是n階方陣，n為節(jié)點(diǎn)自由度數(shù)。由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)，各節(jié)點(diǎn)的振幅并不全為零，則會(huì)有一下結(jié)論：

對(duì)此方程進(jìn)行求解，可求出所有特征值λi，那么方程（K-ω2M）A=0可以改寫為：

n為剛度矩陣K的維數(shù)，也是該系統(tǒng)的自由度數(shù)；λi為第i個(gè)特征值；Ai為λi對(duì)應(yīng)的第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的振幅。

且剛度矩陣K與質(zhì)量矩陣M為實(shí)對(duì)稱矩陣，滿

任意一組振幅值A(chǔ)i1、Ai2、…、Ain，相互之間比值不變，構(gòu)成的模態(tài)向量也可稱作特征向量，在工程上常稱作結(jié)構(gòu)固有振型。

1.2 有限元模型建立

碎紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是型號(hào)為HC6038M12的電機(jī)，其額定功率P=107w，額定轉(zhuǎn)速n=6800rpm。碎紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的材質(zhì)均為Q235鋼，彈性模量，泊松比，密度。

運(yùn)用Altair Hyperworks軟件建立碎紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)有限元模型，先應(yīng)將傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪裝配在一起，并且保證齒輪嚙合位置正確，即把嚙合齒輪對(duì)旋轉(zhuǎn)至節(jié)點(diǎn)相嚙合的位置；再對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格后的單元總數(shù)為1517417，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為422311，有限元模型如圖1所示。

其中，采用集中質(zhì)量的方法對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行等效替代且集中質(zhì)量，如圖2所示。

1.3 模態(tài)分析結(jié)果

采用Altair Hyperworks軟件中的OptiStruct求解器對(duì)碎紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行自由模態(tài)分析，提取前6階固有頻率及其對(duì)應(yīng)的固有振型。

（1）第一階次：固有頻率為68.24Hz，振型特點(diǎn)：碎紙機(jī)局部彎曲；（2）第二階次：固有頻率為185.90Hz，振型特點(diǎn)：傳統(tǒng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)；（3）第三階次：固有頻率為241.88Hz，振型特點(diǎn)：傳統(tǒng)系統(tǒng)彎曲；（4）第四階次：固有頻率331.76Hz，振型特點(diǎn)：碎紙機(jī)整體扭轉(zhuǎn)；（5）第五階次：固有頻率為396.94Hz，振型特點(diǎn)：局部轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪擴(kuò)張；（6）第六階次：固有頻率413.69Hz，振型特點(diǎn)：固定軸與切刀軸彎曲。

根據(jù)碎紙機(jī)的模態(tài)振型可知，碎紙機(jī)第一階固有振型是局部彎曲，主要體現(xiàn)在右側(cè)的傳動(dòng)系統(tǒng)部分，上下兩端向外擴(kuò)，中間稍內(nèi)凹；第二階固有振型是傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)，其中第一級(jí)與第二級(jí)傳動(dòng)齒輪扭轉(zhuǎn)比較嚴(yán)重；第三階固有振型是傳動(dòng)系統(tǒng)彎曲，傳動(dòng)齒輪的形變比較突出；第四階固有振型是碎紙機(jī)的整體扭轉(zhuǎn)，左右兩側(cè)支撐端板形變較大，中間部分形變較??；第五階固有振型是碎紙機(jī)的局部振型，表現(xiàn)為第二級(jí)齒輪的擴(kuò)張；第六階固有振型是碎紙機(jī)的局部模態(tài)，表現(xiàn)為固定軸和切刀軸的彎曲形變.

2 結(jié)束語

（1）本文運(yùn)用Altair Hyperworks分析軟件建立碎紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的有限元模型，再進(jìn)行模態(tài)分析，確保碎紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足要求。

（2）利用有限元分析法能有效的對(duì)碎紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，從而可以減少生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，為碎紙機(jī)的設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為碎紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的性能分析提供合理的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]柳若安，馬萍.碎紙機(jī)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀[J].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)報(bào)，2014（03）：60-62.

[2]熊云龍.手動(dòng)式碎紙機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[D].南昌大學(xué)，2013.