聶篤偉

摘 要：為了對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身在運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度等情況進(jìn)行深入的研究，以便于更好的采取相應(yīng)的振動(dòng)控制措施。本文通過(guò)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)理論與有限元軟件對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身振動(dòng)進(jìn)行了分析，并采用快速傅里葉變換方法對(duì)加速度時(shí)間歷程曲線進(jìn)行了處理，從而獲得數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身的頻譜分析結(jié)果，以對(duì)床身所具備的振動(dòng)特性進(jìn)行了解，并根據(jù)其振動(dòng)特性采取相應(yīng)的振動(dòng)控制措施。

關(guān)鍵詞：數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床；床身振動(dòng)；振動(dòng)控制

依靠以往的振動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床進(jìn)行靜態(tài)設(shè)計(jì)，很難達(dá)到理想的振動(dòng)控制效果，因此急需探尋一種動(dòng)態(tài)的振動(dòng)控制方法。為此，以下便對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身的振動(dòng)控制進(jìn)行深入的研究。

一、以瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身進(jìn)行分析

（一）瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的相關(guān)理論

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)又被稱之為時(shí)間歷程，該理論主要是對(duì)機(jī)械在受到時(shí)間變化載荷時(shí)，其結(jié)構(gòu)對(duì)這種變化載荷進(jìn)行響應(yīng)時(shí)所具備的動(dòng)力學(xué)規(guī)律進(jìn)行確定，從而通過(guò)該理論對(duì)其結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷與簡(jiǎn)諧載荷采取任意的組合方式，以使載荷能夠施加到機(jī)械設(shè)備中的待分析結(jié)構(gòu)中，進(jìn)而得出待分析結(jié)構(gòu)在時(shí)間變化過(guò)程中的速度、應(yīng)力、位移及加速度等響應(yīng)規(guī)律。利用公式可對(duì)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行表示，即Zii+Mii+Ku=Ft，在該公式中，質(zhì)量矩陣由Z進(jìn)行表示，阻尼矩陣由M進(jìn)行表示，剛度矩陣由K進(jìn)行表示，位移向量由u進(jìn)行表示，外激勵(lì)的向量則由Ft進(jìn)行表示。[1]

（二）建立有限元模型

通過(guò)ANSYS有限元分析軟件來(lái)對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身的有限元模型進(jìn)行建立，考慮到其床身模型體積是比較大的，如果通過(guò)實(shí)體建模來(lái)對(duì)床身中的有限元網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，勢(shì)必會(huì)造成計(jì)算工作量過(guò)大，而且計(jì)算時(shí)間也非常長(zhǎng)。由于數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的床身絕大部分都是利用鋼板進(jìn)行焊接的，因此依據(jù)經(jīng)典板殼理論，如果板厚和板的最小邊長(zhǎng)之比在1/5以內(nèi)時(shí)，則該鋼板屬于薄板。當(dāng)然，在數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身中的加強(qiáng)筋、隔板等部位中可能不會(huì)與板殼理論相符，因此在建模時(shí)可采用殼單元和實(shí)體單元進(jìn)行結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用ANSYS軟件中的Workbench來(lái)對(duì)待劃分殼單元區(qū)域?qū)嵤┏橹忻嫣幚?，并?duì)其接觸關(guān)系進(jìn)行設(shè)置，將床身中的側(cè)板、主板等網(wǎng)格的尺寸設(shè)置成3cm，這樣便可得出數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身有限元模型中的網(wǎng)格分布，在該有限元模型中，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量共計(jì)17221個(gè)，網(wǎng)格單元的數(shù)量共計(jì)82466個(gè)。

（三）有限元模態(tài)的分析

對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身進(jìn)行有限元模態(tài)的分析，能夠?qū)ζ浯采斫Y(jié)構(gòu)所具備的振動(dòng)特性進(jìn)行確定，并且還能夠?yàn)槠渌麆?dòng)力學(xué)的分析提供基礎(chǔ)。本文便通過(guò)有限元模態(tài)分析方法來(lái)對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的床身進(jìn)行分析，以得到結(jié)構(gòu)在振動(dòng)時(shí)的固有頻率，然后依據(jù)其結(jié)構(gòu)中的固有頻率來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)理論中的時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，以得到其模態(tài)阻尼。通過(guò)ANSYS Workbench的應(yīng)用能夠獲得床身在三個(gè)階段中的振動(dòng)頻率和振型，根據(jù)其模態(tài)分析結(jié)果可知，在第一階段中，床身的模態(tài)振動(dòng)頻率強(qiáng)度是38.5Hz，床身的振型則是沿著Z方向進(jìn)行左右晃動(dòng)，并且振動(dòng)幅度是按照從下至上逐步增加的。在第二階段中，床身的模態(tài)振動(dòng)頻率強(qiáng)度是64.1Hz，床身的振型沿著Y方向進(jìn)行上下晃動(dòng)。在第三階段中，床身的模態(tài)振動(dòng)頻率強(qiáng)度是68Hz，床身的振型是在Z方向中發(fā)生彎曲振動(dòng)。[2]

（四）瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的分析

在ANSYS Workbench中，對(duì)于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析時(shí)經(jīng)常采用三種方法，分別是剛體動(dòng)力學(xué)分析、顯示結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析以及結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。而在本文中對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身的振動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析方法則是使用的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法，該分析方法在實(shí)施過(guò)程中需要對(duì)一個(gè)沖壓周期進(jìn)行選擇，該沖壓周期的持續(xù)時(shí)間是0.2秒，以兩個(gè)時(shí)間步來(lái)對(duì)周其進(jìn)行劃分，首個(gè)時(shí)間步中，沖壓力對(duì)結(jié)構(gòu)的作用持續(xù)時(shí)間是0.026秒，另一個(gè)時(shí)間步則是沖壓力在卸載后所具有的響應(yīng)時(shí)間。將該沖壓周期按照512步進(jìn)行計(jì)算，每步的持續(xù)時(shí)間為1/2560s。在計(jì)算完畢后需要采取后置處理方式對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身在整個(gè)沖壓過(guò)程中的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。在對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，對(duì)阻尼的考慮是非常重要的，阻尼類(lèi)型主要包括α阻尼與β阻尼兩種，質(zhì)量矩陣乘子由α表示，其代表Rayleigh中所有的質(zhì)量阻尼常數(shù)。由于數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的床身結(jié)構(gòu)是由鋼板焊接的，因此該結(jié)構(gòu)是弱阻尼系統(tǒng)，因此可以對(duì)α阻尼進(jìn)行忽略，利用模態(tài)阻尼比λ和機(jī)身振動(dòng)頻率f來(lái)對(duì)β阻尼進(jìn)行計(jì)算，其中，模態(tài)阻尼比的數(shù)值為0.01，而機(jī)身的振動(dòng)頻率值則為38.5Hz，根據(jù)計(jì)算公式2λ2π×f=β，可求得β阻尼的數(shù)值，即0.000083。[3]利用ANSYS Workbench還能對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身中各個(gè)位置的位移、加速度及速度等變化規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)對(duì)床身頂板中的任意一點(diǎn)A進(jìn)行選取，以將其當(dāng)作研究對(duì)象，并進(jìn)行標(biāo)記，使其成為加速度分析點(diǎn)，并對(duì)該點(diǎn)的加速度變化規(guī)律及其最大位移值進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果可知A點(diǎn)的加速度最大值25m·s-2，其最大位移值是0.5366mm，由此可以了解到，數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身在總體應(yīng)力上不高，但在喉口位置中的應(yīng)力則較大，喉口位置中的應(yīng)力最大值是27.289MPa。

二、數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身振動(dòng)的有限元分析

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床在運(yùn)行過(guò)程中，其床身的振動(dòng)是比較復(fù)雜的，因此對(duì)其振動(dòng)進(jìn)行控制的必要前提便是對(duì)其振動(dòng)信號(hào)按照相應(yīng)的頻率來(lái)進(jìn)行分解，以便于判定其振動(dòng)種類(lèi)，然后通過(guò)針對(duì)性的振動(dòng)控制措施來(lái)對(duì)不同頻率振動(dòng)加以控制。本文利用MATLAB軟件實(shí)施了編程處理，并采用了快速傅里葉變換，以實(shí)現(xiàn)對(duì)其時(shí)域信號(hào)的計(jì)算及時(shí)頻域處理。[4]在MATLAB軟件中將上文中所選取的A點(diǎn)在各個(gè)時(shí)刻中的加速度值分別導(dǎo)入其中，然后實(shí)施快速傅里葉變換，以獲得該點(diǎn)加速度在頻域中的分布曲線。如圖1所示為MATLAB軟件中A點(diǎn)加速度在頻域中的分布曲線。

三、數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身振動(dòng)試驗(yàn)和有限元的結(jié)果比較

（一）數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身振動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果

為了對(duì)上文中的有限元分析結(jié)果進(jìn)行正確性驗(yàn)證，并使振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果能夠和有限元仿真結(jié)果能夠便于比較，通過(guò)加速度傳感器、電阻應(yīng)變式位移傳感器在A點(diǎn)中的布置，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與應(yīng)變放大器來(lái)采集該點(diǎn)在機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中完整周期的加速度和位移響應(yīng)數(shù)據(jù)，然后對(duì)獲得的加速度和位移響應(yīng)數(shù)據(jù)顯示到頻譜中進(jìn)行分析，以獲得相應(yīng)的頻譜分析結(jié)果。如圖2所示為測(cè)試后得出的頻譜分析結(jié)果，圖3為A點(diǎn)位移頻譜分析結(jié)果。

在得出該點(diǎn)的頻譜分析結(jié)果后，將該點(diǎn)的有限元計(jì)算結(jié)果和振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

（二）床身振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果和有限元結(jié)果的比較

在電壓信號(hào)的標(biāo)定時(shí)間設(shè)置為1mV，經(jīng)過(guò)標(biāo)定后可以獲得相應(yīng)的標(biāo)定結(jié)果，即0.00749mm/mV，由此可以得出測(cè)試信號(hào)在位移響應(yīng)中的計(jì)算公式，即測(cè)試位移值與標(biāo)定值和測(cè)試信號(hào)峰值的乘積相等。對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖壓床身在振動(dòng)時(shí)的位移進(jìn)行測(cè)試，以得出其在打樁時(shí)沖壓周期中A點(diǎn)在Y軸中的位移響應(yīng)情況。設(shè)定電壓的最大值是66.53mV，可以得出振動(dòng)試驗(yàn)中A點(diǎn)在Y軸中位移的最大值是0.4986mm。而在有限元分析結(jié)果中，其位移最大值是0.5366mm，這兩者之間的誤差約為7%。在床身A點(diǎn)中的有限元計(jì)算結(jié)果中，其加速度的最大值為25m·s-2，其振動(dòng)頻率強(qiáng)度是15Hz，而振動(dòng)試驗(yàn)中的計(jì)算結(jié)果中，A點(diǎn)的加速度最大值是23m·s-2，其振動(dòng)頻率的強(qiáng)度是16Hz。如下表所示為床身振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果。

通過(guò)在數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身中所具有的四個(gè)喉口位置中，分別設(shè)置相應(yīng)的電阻應(yīng)變片，并對(duì)沖壓周期中各個(gè)喉口位置的動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，可以得出有限元分析結(jié)果中這四個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力分別是27.289MPa、35.365MPa、26.843MPa、36.865MPa，而在振動(dòng)試驗(yàn)中的四個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分別是26.956MPa、36.254MPa、25.636MPa、37.008MPa。上述應(yīng)力均處于床身的許用應(yīng)力范圍以內(nèi)，并且兩者的誤差范圍在5%以內(nèi)。[5]由上述結(jié)果比較可知，采用有限元分析方法來(lái)對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身在具備周期性時(shí)間變化載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究是非?？尚械?。并根據(jù)該動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律來(lái)提出相應(yīng)的振動(dòng)控制措施。

四、數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身振動(dòng)的控制優(yōu)化

在振動(dòng)控制措施上，可通過(guò)以下三點(diǎn)措施來(lái)達(dá)到優(yōu)化控制效果的目的：其一，對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身中的主板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，以使其結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度提高，使其動(dòng)位移降低，這樣能夠有效降低振動(dòng)給床身帶來(lái)的不利影響。此外，為了降低機(jī)床的振動(dòng)幅度，依據(jù)上文中的振型分析，可對(duì)筋板位置進(jìn)行恰當(dāng)布置；其二，應(yīng)對(duì)阻尼結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的選擇，尤其是喉口位置中的阻尼結(jié)構(gòu)，可采用高阻尼鑄鐵結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制；其三，利用DEFORM-2D有限元分析軟件來(lái)對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床在沖壓周期中的數(shù)值進(jìn)行模擬，以獲得振動(dòng)和噪聲較小的沖壓曲線，從而使數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的床身振動(dòng)得到有效控制。

五、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)采用有限元分析與瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)理論中的振動(dòng)試驗(yàn)方法對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身的振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，并對(duì)兩種分析方法的效果進(jìn)行了對(duì)比，證明了有限元分析方法在研究數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身振動(dòng)問(wèn)題中應(yīng)用的可行性，并根據(jù)分析結(jié)果提出了相應(yīng)的振動(dòng)控制措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]高健翔，高建和，龔俊杰，韋源源.基于瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身動(dòng)力學(xué)研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2017（01）：74-76.

[2]陳敢.數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身模態(tài)分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2017，55（08）：64-67.

[3]韋源源，李新松，高建和，胡金龍，龔俊杰.數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床床身振動(dòng)分析[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2016（05）：84-85+87.

[4]郭偉，宋愛(ài)平，楊益，陶建明.數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床振動(dòng)噪聲分析檢測(cè)及針對(duì)性建議[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2013（03）：115-117.

[5]陳琪，高建和，吳宏祥，徐長(zhǎng)奎.數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床機(jī)身模態(tài)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011，46（04）：20-23.