基于ANSYSWorkbench和SolidWorks整体硬质合金丝锥的模态分析

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基于ANSYSWorkbench和SolidWorks整体

硬质合金丝锥的模态分析

唐鑫,邓远超

西华大学

摘要:介绍了模态分析的基本理论,采用SolidWorks对整体硬质合金丝锥进行三维建模,利用ANSYSWorkbench对整体硬质合金丝锥进行模态分析,得出了它的固有频率和振型图。

关键词:整体硬质合金丝锥;SolidWorks三维建模;模态分析中图分类号:TG722󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文献标志码:A

ModelAnalysisofSolidCarbideTapsBasedonANSYSWorkbenchandSolidworks

TangXin,DengYuanchao

Abstract:Thebasictheoryofmodalanalysisisintroduced,usingSolidWorkstocreatethethree󰀁dimensionalmodelofsolidcarbidetaps,usingANSYSworkbenchtomakemodalanalysisonsolidcarbidetaps,itobtainedthenaturalfrequenciesandmodeshapes.

Keywords:solidcarbidetaps;SolidWorks3Dmodeling;modelanalysis

󰀁󰀁1󰀁引言

丝锥是在经过钻头或其它工具已加工好的底孔

上进行攻丝的,切屑和排屑均在极为狭窄的空间内进行。整体硬质合金丝锥相对于普通高速钢丝锥的攻丝速度至少快4倍以上,可大幅提高攻丝生产率,并且刀具寿命更长。因此,为从根本上防止攻丝时发生共振,必须对整体硬质合金丝锥进行有限元模态分析。

󰀁󰀁2󰀁模态分析的基本理论

模态分析的经典定义:将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标,使方程组解耦,成为一组以模态坐标及模态参数描述的方程,以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵,其每列为模态振型。一个n个自由度线形系统,其运动微分方程为

[1]

󰀂t=CMxxt+Kxt=ft󰀁振动系统的自然属性,必须通过研究无阻尼的自由振动来求解。

由式(1)变形为

󰀂Mxt=C󰀁xt+Kxt=f

t(2)(3)

式(2)的解,可以假设为以下形式

x=󰀁sin󰀂t-t0

式中,󰀁是n阶向量,󰀂是向量󰀁的振动频率,t是时

间变量,t0是由初始条件确定的时间常数。将式(3)代入式(2),得到一个广义特征值问题,即

K󰀁=󰀂2M󰀁=0

求解以上方程,可以确定󰀁和󰀂。结果得到n

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个特征值(󰀂212,󰀁1),(󰀂22,󰀁2),!!,(󰀂n2,󰀁n)。其

中,特征值󰀂1,󰀂2,!!,󰀂n,代表系统的n个固有频率,特征向量󰀁1,󰀁2,!!,󰀁n代表系统的n个固有振型。

󰀁󰀁3󰀁整体硬质合金丝锥模型的建立

SolidWorks是在Windows环境下开发出来的3D实体模型构件系统,是为产品设计师和工程师提供的一套完整高效的计算机辅助设计软件。Solid󰀁Works可协助各制造产业提升产品设计效率,以最短的时间完成产品的设计开发,为企业取得产品上市的先机和竞争优势。要在SolidWorks中建立模型,必须掌握以草图为基础的建模方式,就是在做每个特征之前,首先做出草图,然后以此为基础进行构建,注意在建立刀具模型时要尽量按照其加工工艺来进行,这样是比较合理的建模顺序。

(1)

式中,M、C、K分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵;xt及ft分别为系统各点的位移响应向量和激励力向量。

求解ft=0的齐次方程,得到方程的通解,将反映系统的自由振动特性;求解它所对应的特征方程得到系统的特征值,将反映结构的固有特性。

求解ft 0时的非齐次方程,得到方程的特解,将反映输入载荷的特点。固有频率和主振型是

收稿日期:2010年10月

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工具技术

图1󰀁整体硬质合金丝锥三维图

图4󰀁三阶振型图

图5󰀁四阶振型图

󰀁󰀁4󰀁整体硬质合金丝锥的模态分析

本文是基于ANSYSWorkbench对整体硬质合金丝锥的模态分析。ANSYSWorkbench是用ANSYS求解实际问题的新一代产品,它强大的功能给ANSYS的求解提供了很大帮助。这种环境为CAD系统和设计提供了全新的平台,保证了很好的CAE结果。AWE中的结构模态分析是线性的,在分析中忽略系统阻尼对自身振动特性的影响,而且,任何所施加的力载荷在模态分析中都不考虑。对整体硬质合金丝锥进行模态分析时,一般不必求出全部固有频率和振型,而应着重考虑系统工作条件下所涉及的频率。因为通常只有这些阶次的固有频率可能引起系统共振。前六阶固有频率如表1所示,前六阶振型图如图2-图7所示。同时,在ANSYSWorkbench中,由于得出的振幅是经过处理的相对值,因此并不能真正反映实际振幅。

表1󰀁整体硬质合金丝锥的前六阶固有频率

阶次频率(Hz)

1

2

3

4

522461

623447

2116.62116.78394.28394.6

图6󰀁五阶振型图图7󰀁六阶振型图

态频率,根据式(4)可以确定激振源的频率范围为

0.85f>fp或1.15f(4)

󰀁󰀁5󰀁结语

(1)整体硬质合金丝锥主要振动模态频率大于2116.6Hz,因此要避开整体硬质合金丝锥的振动模

式中[2],f为零件固有频率,fp为激振源的频率。

(2)整体硬质合金丝锥的前六阶振型具有不同的固有频率,当激振频率与整体硬质合金丝锥的固有频率相吻合时,将会产生剧烈的颤动。由此可见,了解各个阶次的固有频率,有利于从根本上避免共振的产生。

通过模态分析,为整体硬质合金丝锥提供了重要的模态参数,为改进整体硬质合金螺旋槽丝锥的设计提供了理论依据,同时对该结构做进一步的动力学分析及结构优化,为提高整体硬质合金螺旋槽丝锥的安全性及深入研究振动等问题奠定了基础,为实际试验提供了参考和依据。

参考文献

[1]耿新海,刘玉堂,王世杰.六主轴数控车床床身的模态分析[J].装备制造技术,2010(1):71.

[2]濮良贵,纪名刚.机械设计(第七版)[M].北京:高等教育出版社,2001.

[3]王春雷.整体硬质合金刀具参数化建模技术与方法的研究[D].西华大学硕士学位论文,2009.

[4]张宪(译).用整体硬质合金丝锥高速同步攻丝[J].工具展望,2008(4):9-11.

第一作者:唐鑫,硕士研究生,西华大学机械工程与自动化学院,610039成都市

FirstAuthor:TanXin,Postgraduate,SchoolofMechanicalEngi󰀁neeringandAutomation,XihuaUniversity,Chengdu610039,China图2󰀁一阶振型图图3󰀁二阶振型图