王 军，马培花，高永江

(1.武汉职业技术学院，武汉 430074;2.中国长江动力公司(集团)，武汉 430074)

基于ANSYS的X2120落地式镗铣床谐响应分析

王 军1，马培花2，高永江2

(1.武汉职业技术学院，武汉 430074;2.中国长江动力公司(集团)，武汉 430074)

文章以X2120落地式镗铣床谐响应系统分析为主要研究对象，采用了有限元模型分析方式，通过ANSYS软件构建了落地式镗铣床关键零件以及组合结构的有限元模型，并进行模态特征实验分析系统的主体结构分析，主要分为计算机激励系统、测量系统以及数据采集处理系统三大部分的模态分析，利用ANSYS10.0软件开展X2120落地式镗铣床谐响应分析，结果表明弹簧阻尼连接模型只有一阶固有频率与实验结果的相对误差较大，其余阶次均满足一般工程精度。可通过优化模型进一步提高一阶固有频率的精度。

ANSYS;落地式镗铣床;有限元模型;谐响应分析

0 引言

机床的加工性能取决于机床的动态性能，机床结构的动态性能对机床的加工精度、切削效率、切削的稳定性和可靠性有很大的影响，目前它己经成为衡量机床结构性能好坏的非常重要的指标。不断进步的科学技术水平以及加工工艺，要求机床加工性能相应提高。高效率、高质量以及环保是当前机械切削加工发展的整体方向，在切削加工中十分常见的振动问题对提升机械加工水平有着制约性影响。

1 有限元模型的构建

在此部分第一，对建模方法进行选择。实体建模以及直接生成是ANSYS建立模型的两大方法。实体建模，要对模型几何边界进行描述［1］，控制单元形状及大小，在此基础之上由ANSYS自动生成节点及单元;直接生成法第一步需要将节点位置、单元形状及大小确定下来;第二，模型简化，只有正确的模型简化才能得到准确的有限元计算结果，在进行有限元分析时，模型计算结果的精准性与网格划分的细致程度间具有正相关关系。进行模型简化的主要目的在于确保计算结果的可用性以及分析效率等，经过简化之后便得到计算模型。对实体模型的简化如下:将功能件及非承载构建省略;将一些圆弧过渡简化为直角过渡;在确保部队整体结构造成不利影响的基础上，简化截面形状［2］;最后在截面形状等效的前提下，对诸如台肩、翻边以及凹槽等进行简化，省略对于截面特性无明显影响的特征;第三，单元选择。在进行有限元分析过程中，一项重要内容就是结合具体的模型、分析类型以及方法，对单元类型进行选择［3］。单元类型对附加自由度具有决定性影响，在结构分析中，单元类型选择受结构应力状态的影响，需要对计算的准确性以及计算成本进行综合考虑;第四，结合面建模，在有限元模型中，利用弹簧——阻尼单元对结合面进行模拟，为了对结合面法相以及切向刚度、阻尼准确的区别开来，需要对结合面触点 X、Y、Z三个自由度上生成相应的COMBIN14单元，这样，结合面以对接触点两个切向以及一个法向的刚度及阻尼模拟所需要的COMBIN14单元个数为三个;第五，划分网格。有限元前期处理中一项重要工作就是划分网格。网格划分的好坏对计算结果的精准性以及速度等均具有决定性影响。通常情况下，增加网格数量可以提高计算精准度，但也会导致计算量的相应增加，因此，在确定网格数量时需要对相关因素予以综合考虑。通常而言，在静力分析时，若只是计算结构变形，不要求大量的网格数量;如果计算应力，在精度要求一致的情况下，要尽可能增加网格数量。

2 落地式镗铣床实验验证

文章选取的落地式镗铣床是中渤X2120，如图1所示。

图1 中渤X2120落地式镗铣床

中渤X2120落地式镗铣床的详细计算参数如表1所示。

表1 中渤X2120落地式镗铣床的详细计算参数

(续表)

实验模态分析技术是依照线性共振理论，利用动态检测、参数识别以及数字信号处理等技术和手段，对系统进行识别。实践中比较常见的试验模态分析方法主要有稳态正弦激振模态实验、随机激振模态实验以及脉冲激振模态实验等三种实验方法。利用实验激励设备针对机械结构开展激振，在获取系统激励及振动响应信号的基础之上，依次开展数据处理、曲线拟合以及参数识别等工作，之后对结构系统动力特征相关模态参数进行计算，利用所构建的动态模型对结构动力学特征进行分析，以便对结构进行优化，确保结构质量分布的合理性，用尽可能少的原材料满足构件刚度及强度等方面的要求。

模态特征实验分析系统的主体结构由计算机充当，激励系统、测量系统以及数据采集处理系统是三大主要组成部分。试验模态分析系统硬件配置详见图2所示。

图2 试验模态分析系统硬件配置示意图

测点振动用来表达模态振型图，因此，要重视测点位置及分布密度的确定。要确保所选择的测点位置能够将结构几何特性准确的反映出来;在选择的测量点中包括感兴趣的全部结构点;实验频段中全部模态变形特征以及模态间的变形的不同之处可以在变形之后十分明确的反映出来。

以机械结构大件构成为依据，可以将落地式镗铣床划分为立柱、主轴箱、方滑枕、镗轴以及滑座等五个子结构。确定集合测点数量的主要依据是机床整机以及具体的结构件尺寸。为确保所获取的实验结果的准确性，要按照机床坐标系将加速度传感器粘贴在立柱底部的X、Y、Z方向，充当参考点;为了对振动情况进行测试，需要在主轴箱、主轴以及方滑枕等部件的X、Y方向分别布置三点;整体镗铣床共布置测试点三十个，选择统一测点相同激励多次采样法，这样所有测试点的每个测量方向所获得的实测数据均不低于五次，这样可以将随机误差控制在最低水平［4-5］。

在进行落地式镗铣床实验的过程中，因为测试系统对噪声干扰信号敏感，所以，需要尽可能与干扰源保持一定距离，传感器的安装位置的温度不能过高，风力和声音不能过大;对所有激振点进行脉冲激振的过程中，要注意把控好锤击方向及锤击力度，如果锤击力度不够，就无法将感兴趣频率范围中的全部频率点的相应充分激发出来，如果锤击力度过大，则可能造成系统非线性振动现象的发生或者导致测试仪过载;通常情况下，需要选择表面较为坚固、没有测量模态节点的位置安装传感器;还有就是要尽量不要连续多次的进行锤击，防止导致分析结果误差过大［6］。

因为关注的焦点为低阶固有频率，因此选择时域积分法最为适宜。首先为了将低阶固有频率很好的展示出来，需要对加速信号进行转化，得到相应的速度信号。通过对有限元计算结果和实验结果进行比较分析，可知实验所得整机固有频率值和理论计算值之间的误差不大，但第五阶故有频率属于例外情况;计算所得模态数量与实验所获得的模态数量相比较而言，前者多于后者。导致计算结果和实验结果之间存在误差的原因大致可以归结为以下几点:第一，材料质量、密度以及弹性模量参数取值、边界条件设置等均有一定程度误差存在;第二，受实验测点位置、激励方向以及力锤材质等相关因素的影响，锤击脉冲对固有频率的激励无法达到百分之百，有些振型是无法识别的;第三，对结合面刚度以及阻尼参数的计算需要进行大量运算，计算过程中的误差也是无法避免的;最后，在对刚度及阻尼进行定义的过程中，没有按照弹簧——阻尼单元数量、串联以及并联关系对结合面的刚度及阻尼进行合理分配。

3 落地式镗铣床谐响应分析

谐响应分析就为明确随时间的推移，线性结构承受的按正弦规律变化的荷载稳态相应的技术。对几种频率中结构的相应进行计算，得出响应值对频率的曲线是谐响应分析的主要目的。

3.1 谐响应分析步骤

笔者在此选择用模态叠加法进行谐响应分析，大致分为以下四步:

第一步，构建模型，主要涉及对单元类型及实常数进行定义、对材料属性进行定义、几何模型构建、有限元网格划分等。需要提醒的是，首先，网格密度标准为感兴趣的最高阶振型能够准确确定;再就是对应力及应变感兴趣的区域和单纯对位移进行考察的区域相比，前者的网格密度更高。

第二步，取得模态分析解。在此需要关注以下几点:第一，要将对谐响应有贡献的模态全部提取;第二，假如利用QR阻尼法，需要在前处理或者是模态分析阶段指定希望包含的阻尼;第三，假如有必要施加简谐变化单元荷载，要在模态分析过程中施加;最后，没有必要对模态进行扩展。

第三步，取得模态叠加法谐响应解。首先，进入ANSYS求解器，选择分析种类及选项;其次，将载荷施加到模型，明确随时间按正弦规律变化的荷载是开展谐响应分析的前提;最后，确定载荷步选项。

第四步，对结果进行分析。一般常采取的处理顺序为:先用POST26确定临界强制频率，也就是模型中最大位移对应的频率，在此基础之上利用POST1对模型进行处理。

3.2 谐响应结果分析

(1)X向激振力影响下落地式镗铣床响应。通过对相关信号的加速度传感器拾取，并且经过数模转换之后，受X向简谐激振力作用的影响，铣刀某触点在X、Y、Z方向的动态响应详见图3所示(以下横坐标是激振力的大小，纵坐标为动态位移幅值峰值)。

图3 铣刀某触点在X方向激振力振幅示意图

从图3中不难得出，铣刀某点受X方向激振力的影响，在第2、4、7、9四阶X轴向动态位移故有频率有峰值出现，其中，第二阶固有频率附近的位移幅值最大;Y向的动态位移幅值峰值出现在第2、10两阶;Z向动态位移幅值峰值则出现在第4及10阶。根据模态分析变形图，整机X向摆动出现在第2阶，受X向激振力影响，在受激振动出现时，X向动态位移最大;第4阶模态为绕Y向的扭转振动，受X向激振力影响，受激振动发生时同样会出现加大的位移。

(2)Y向激振力影响下落地式镗铣床响应。受Y向激振力影响，铣刀某触点在Y轴向位移幅值的峰值出现在第1及第10阶故有频率附近;X向的动态位移幅值峰值出现在第2、9两阶;Z向动态位移幅值峰值则出现在第1阶。整机Z向摆动为第1阶模态。

(3)Z向激振力影响下落地式镗铣床响应。受Z向激振力影响，铣刀某触点在Z轴向位移幅值的峰值出现在第1及第4阶故有频率附近;整机Z向摆动为第1阶模态，受Z向激振力影响，在受激振动出现时，Z向动态位移最大;受Z向激振力影响，在受激振动出现时第4模态被激起，这样Y向动态位移也比较大。

通过对镗铣床的2种模型的固有频率的计算值和实验结果的比较，我们可以得到如表2所示的数据。

表2 镗铣床2种模型的固有频率计算值和实验结果比较

4 结束语

文章依据ANSYS对中渤X2120落地式镗铣床进行建模分析，在获取中渤X2120落地式镗铣床的基本参数的基础上，依据ANSYS完成建模，然后通过ANSYS进行模拟分析。通过研究发现，本文的模态分析结果与实验结果更接近，弹簧阻尼连接模型只有一阶固有频率与实验结果的相对误差较大，其余阶次均满足一般工程精度。可通过优化模型进一步提高一阶固有频率的精度。综上所述，机床加工性能的要求随着现代化科学技术的日益进步以及加工制造工艺的迅猛发展而不断提高。笔者首先介绍了落地式镗铣床有限元模型的构建，阐述了落地式镗铣床实验验证及谐响应分析。

［1］孙伟，汪博，闻邦椿.直线滚动导轨结合部动力学特性测试及参数识别［J］.东北大学学报(自然科学版)，2011(5):34-36.

［2］张国胜，周炜，孟凡亮，等.轿车白车身模态分析和局部刚度优化方法研究［J］.公路交通科技，2010(4):54-56.

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［6］卢旭.基于PMAC的伺服控制系统的开发［J］.舰船电子对抗，2009(2):75.

［7］杨托.机床结构动力学建模技术的研究及在MGK7350平面磨床有限元分析中的应用［D］.浙江工业大学，2008:213-214.

Machine Harmonic Response Analysis Based on ANSYS X2120 Console Boring and Milling

WANG Jun1，MA Pei-hua2，GAO Yong-jiang2
(1.Wuhan Polytechnic，Wuhan 430074，China;2.China Chang Jiang Energy Corp.(Croup)，Wuhan 430074，China)

This article with the X2120 console boring and milling machine harmonic response analysis system as the main research object，using the finite element model analysis mode，through ANSYS software component the console boring and milling machine key parts and the finite element model of the structure，and modal characteristics of the main body of the experimental analysis system structure analysis，mainly divides into the computer as，incentive systems，measurement system，and the data acquisition and processing system is the three most of the modal analysis，using ANSYS10.0 software in X2120 console boring and milling machine harmonic response analysis，the conclusion that spring damping connection model only the first natural frequency and the experimental results of the relative error is bigger，the rest of the order will meet the general engineering time accuracy.But through the optimization model to further improve the precision of the first natural frequency.

console boring and milling machine;the finite element model;harmonic response analysis

TH16;TG65

A

1001-2265(2012)11-0029-03

2012-06-06;

2012-08-21

王军(1964—)，男，湖北荆门人，武汉职业技术学院教师，副教授，主要研究方向为数控加工技术，(E-mail)568861877@qq.com。

(编辑 李秀敏)