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信息化选型征文:装备制造业研发CAD/CAE一体化选型与应用实践

2014/7/1    来源:e-works    作者:韩斌慧      
关键字:solidworks  截割减速器  CAD/CAE一体化选型  
文章介绍了应用Solidworks软件精确建模,使用simulation模块,对某型掘进机截割减速器壳体进行了有限元分析,分析了在预应力作用下前六阶固有频率及振型,并和模态试验结果进行了对比,结果显示,两种求解方式比较吻合。为复杂实体固有特性研究提供了简便易行的方法。

0 引言

    掘进机煤炭开采中的重要设备,其截割减速器是实现转速匹配和传递扭矩的重要部件。减速器壳体是轴、内部齿轮、轴承等零件的安装基础和关键承载部件,运行时受齿轮系统的外部激励、内部激励以及误差激励等各种复杂动载荷作用,将产生剧烈振动和强烈噪声。因此,对截割减速器壳体进行模态分析是预测与控制振动危害的重要手段。

    Solidworks软件则集成了CAD/CAM/CAE软件的精华,基本实现了设计、分析、制造的全套产品解决方案。对于降低生产成本,缩短生产制造周期,实现虚拟装配,事前分析具有非常重要的作用。

1 壳体模型的创建

    Solidworks软件在三维造型方面功能很强,但是对于齿轮和花键等曲面,建模功能比较差。有时必须采用VBA接口进行二次开发,所以造型比较繁琐。本文所述壳体由中部筒体、输入及输出端盖三部分组成。筒体内表面分布了两组标准齿形,为了建立精确的渐开线齿形,本文采用CAXA软件配合Solidworks软件共同完成齿形部分的精确建模。生成齿形前建立草图,使用旋转特征生成主要轮廓形状。

    基本体建成以后,在CAXA软件中建立齿形,齿形参数按照设计参数确定,在solidworks中,点击“插入”命令选择“DXF/DWG”可以将建立好的CAXA图读入作为建立内齿形的草图,通过“拉伸切除”特征命令即可完成第一级齿形的建模,如此重复可以完成第二级齿形及筒体的完整外形。

    按照上述方法分别建立输入输出端盖,并采用自下而上的方式进行装配后得到壳体的最终模型。建模过程中对于零件的微小结构,比如倒角、圆角、小孔、销孔、螺纹孔等不会对课题的质量及刚度产生明显的影响,建模时予以忽略;对于三者装配时采用的螺栓连接予以忽略,模态分析时视三者为绑定连接,同时有助于提高后续计算机分析的效率。

2 有限元分析过程

    2.1 定义材料、划分网格

    按照设计规定设置材料的密度、弹性模量及泊松比等模态分析必须的参数。由于壳体表面曲面较多,为了保证网格质量,所用网格器采用基于曲率的网格。并设置最大、最小单元尺寸如图3所示,划分完毕,共有155045个节点及95269个单元。

    2.2 模型约束及边界条件设置

    1)约束:减速器实际安装时,壳体输入端通过螺栓连接固定在叉形架上,因此对输入端施加完全固定约束。符合实际工作状态。

    2)预应力:壳体的输出端连接的是掘进机悬臂段,悬臂段连接截割头,三者连接时相当于在壳体输入端施加一力矩,力矩中力的大小是截割减速器、悬臂段及截割头三者质量和,力臂可以通过计算获得。

3 有限元分析结果

    完成参数设置、划分网格后,进行模态求解。因为通常情况下,前几阶振动频率对系统的影响比较大,后面的高频段,对壳体动态性能影响较小,因此分析时仅提取前六阶模态进行分析。同时观察预应力作用下壳体变形情况。求得壳体在静力作用下的最大变形为沿径向的弯曲变形,最大变形量为3.3735μm,小于材料的许用应变,因此不会出现静力破坏的现象。

    其中,一、二阶振型为沿径向的弯曲变形,最大变形处位于输出端盖边缘;三阶振型为轴向压缩变形,最大变形位于输入端盖处;四、五阶振型均为沿轴向扭转和径向压缩的组合变形,最大变形发生在输出端盖的边缘;六阶变形为轴向压缩变形,最大变形由输入端盖平移至筒体输出端。

4 模态试验验证

    将壳体弹性悬挂,使用力锤单点激励多点响应方法,采用柱坐标系,分别采集径向、轴向及转角的加速度。试验前将壳体径向分成8等份,轴向分成4段以获取尽可能完整的响应数据,防止模态泄漏。一级、二级齿圈部位各占一段,总测点数为32,每个测点均安装三向加速度传感器,共需96个通道,两台采集仪,由交换机连接,分段测量。

    测试后,经过分析处理,所得的前六阶模态频率与有限元分析结果。

    从表1看出,有限元分析结果和模态试验结果基本一致,说明有限元方法在壳体分析方面的可行性,由于计算所得齿轮啮合频率及各齿轮的旋转频率均小于第一阶模态的固有频率,因此由齿轮啮合及转动造成的壳体共振现象可以避免。壳体设计合理。

5 结论

    1)使用SOLIDWORKS软件建立三维实体模型、转化有限元模型,进行模态分析的方法与实验结果具有较好的一致性,是复杂零件进行动态分析行之有效的一种方法。

    2)壳体的一阶固有频率较高,完全避开了齿轮啮合及齿轮旋转的频率范围,不会造成壳体的共振,壳体设计合理。

    3)尽管壳体设计不存在共振问题,但是从振型图发现,输出端边缘、输入端端部仍是变形较大的区域,仍有进一步加强的余地。

责任编辑:程玥
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