２期 顾祥军，等：基于ＡＮＳＹＳ的剪板机机架有限元分析 表２剪板机机架静力分析结果 结果类别 最大值 最大位移处 最小值 方向位移 Ｏ．Ｏ６ｏ ４ 工作台右端 机架最上方Ｙ方向位移 Ｏ．１７６ ｌ４７７ 能的逼近形体，选用ＳＯＬＩＤ９２单元进行网格划分，该 单元为四面体１０节点三维实体线性单元，每个单元 节点有三个移动自由度。网格的数量直接影响到计 最小位移处 一０．０６ ０３６ 工作台左端 一０．０５２ １９９ 机架底面 算结果的精度以及计算的时间量，因此网格划分应 遵循“均匀应力区粗化，应力梯度大的区域细化”的 原则，对于具体模型应该具体区别对待。一般来说， 网格划分得越细，质量越高，计算精度就越高。但是 ｚ方向位移 ０．１９ｏ 总位移 Ｏ．２９９ ２０９ 台面板中部压料缸中部一０．２６７ ０ 压料缸中部 左、右立柱底部 机架底部 Ｖｏｎｍｉｓｅｓ应力 压料缸中部０．００２ ７７９ 网格划分得越细，计算量就越大，其时间成本等就会 增加 。采用ＡＮＳＹＳ软件自带的Ｍｅｓｈ ｔｏｏｌ工具， 采用自由体网格划分。机架共划分节点数为 １７３ ３９５，单元数为１０１ ２０１。具体如图２所示。 １．４机架约束及加载说明 液压摆式剪板机受载根据实际工作条件分为三 种情况：一是在工作台全长上受来自压料装置和上 刀架两个方面均布载荷，二是在机架左右两侧的液 压缸的作用力，三是上刀架对其支承座的支撑力。 为了防止机架移位和振动，通过底面地脚螺栓对机 架进行固定。这种结构对静力分析的精度的影响很 小，因此对机架的底面限制其为全约束 ｊ。其余各 处受力情况如表１（单位均为ＭＮ）所示： 表１机架受力位置及数值 １．５计算结果与分析 分析的结果如表２所示（位移单位为ｍｍ，应力 单位为ＭＰａ）。分析机架整体位移云图见图３，ＤＭＸ （位移最大值）为０．２９９ ｍｍ，在机架压料缸的中部。 工作台的中部在ｚ方向位移也很大，两侧立柱变形 较小，机架整体变形的趋势与实际情况比较符合，结 果也比较合理。从应力分析，其Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ应力见 图４，从机架变形云图可以看出，ＳＭＸ（最大应力值） 为２０９ ＭＰａ，远小于所用材料的屈服极限３３０ ＭＰａ， 而且绝大部分区域的应力值都很小，机架结构的强 度安全系数为ｎ＝ｏｒ…／ｏｒ ＝３３０／２０９＞１说明机架 结构强度是满足要求的。 ＬＡ Ｐｎ Ｅ Ｂ０ Ｔ Ｓ Ｓ＝１一一Ｅ Ｖ艟ｔ Ｓ Ｓ Ｓ Ｓ ＝ Ｅ Ｍ Ｑ ＸＯ ２ Ｏ ＝～７ｌｌ Ⅵ Ｘ ｌｌ ． ｌ １ ．Ｓ ２ ７ ２ ０ （９ ９ Ｏ Ｌ Ａ ９ ９ Ｕ Ｖ ０ Ｅ ＩＴ ）Ｇ ０１ Ｏ＋ （ （‘ ０ ０） ｝ 。０６６ ４４５ ０．１３２ ８８９ ０．１９９ ３３４ ０．２６５ ７７９ ０．０３３ ２２２ ０．０９９ ６６７ ０．１６６ １ｌ２ ０．２３２ ５５６ ０．２９９ ００１ 图３机架整体位移 ２ ７７９ ０．４６５×１０ ０．９３０×１０ ０．１４０×１０＂０．１８６×１０。 ０．２３３×１０ ０．６９８×１０ ０．１１６￣１０９ ０．１６３×ｌＯ ０．２０９ＸｌＯ 图４机架Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ应力 ２模态分析 机架作为剪板机的主要受力部件，其结构必须 有足够的静强度和刚度来达到其疲劳寿命、装配和 使用的要求，同时还应有合理的动态特性来达到控 制振动与噪声的目的。在机架结构设计中，如果只 考虑结构的静强度和刚度，很可能会在设计过程中 造成机架局部结构的不合理，而导致整个剪板机在 ４７８ 科学技术与工程 ｌ０卷 剪切中发生共振，产生噪声。模态分析的作用在于 提取结构固有频率及振型，它是做动力学分析（如瞬 态动响应分析、谱分析等）的基础，也为结构的动态 修改提供了重要的理论依据。做模态分析的好处 是：一是使结构设计避免共振或以特定频率进行振 动；二是使工程师可以认识到结构对于不同类型的 动力载荷是如何响应的；三是有助于在其它动力分 析中估算求解控制参数 Ｊ。 ２．１有限元模型加载与求解 模态分析中的建模过程与静态分析的建模过程 基本类似，设定材料参数，模态分析需要定义密度参 数，最后进行网格划分，机架共划分节点数为 １７３ ３９５，单元数为１０１ ２０１。 模态的提取有六种方法分别是Ｓｕｂｓｐａｃｅ法、 Ｂｌｏｃｋ Ｌａｎｃｚｏｓ法、Ｂｌｏｃｋ Ｌａｎｃｚｏｓ法、Ｐｏｗｅｒ Ｄｙｎａｍｉｃｓ 法、Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｈｏｕｓｅｈｏｌｄｅｒ法、ｕｎｓｙｒｍｎｅｔｒｉｃ法、Ｄａｍｐｅｄ 法。本文主要使用Ｂｌｏｃｋ ＬａＢＣＺＯＳ法。对模型底板处 进行全位移约束，设置扩展模态数为ｌ０，进行求解。 ２．２模态计算结果与分析 经过模态分析，机架的前十阶固有频率如表３ 所示，图５、图６分别为前两阶模态振型图，第一阶频 率为２２．１１ Ｈｚ，主要集中在上半部分，在左立柱的左 上角 方向出现最大幅值为０．５２４ ｍｍ；第二阶频率 为３４．８７ Ｈｚ，主要集中在后上部分，后上梁Ｚ方向出 现最大幅值为６．３８ ｍｍ；第三阶频率为３５．６３ Ｈｚ，主 要集中在前上部分，外压板ｙ方向出现最大幅值为 ０．４３９ ｍｍ；第四阶频率为３８．３４ Ｈｚ，主要集中在前 上部分，外压板Ｚ方向出现最大幅值为１．０９９ ｍｍ； 第五阶频率为５５．９３ Ｈｚ，主要集中在后上部分，后上 梁ｙ方向最大幅值为５．９２４ ｍｍ；第六阶频率为 ５７．８７ Ｈｚ，主要集中在后上部分，后上梁的Ｚ方向最 大幅值为８．１５４ ｍｍ；第七阶频率为６６．３０ Ｈｚ，主要 集中在外压板的上下部分，外压板的ｚ方向最大幅 值为１．４３５ ｍｍ；第八阶频率为７２．６９ Ｈｚ，主要集中 在机架的后上部分，后上梁ｘ方向出现最大幅值为 ６．３０９ ｍｍ；第九阶频率为７８．３０ Ｈｚ，主要集中在左右 立柱的后半部分，后上梁ｚ方向出现的最大幅值为 １．０３ ｍｍ；第十阶频率为８６．９３ Ｈｚ，主要集中在后下梁 部分，后下梁ｌ，方向出现的最大幅值为１．８４１ ｍｍ。 表３剪板机机架模态分析计算结果 阶数 １ ２ ３ ４ ５ 固有频￣．／Ｈｚ 阶数 ６ ７ ８ ９ １０ 固有频－￣／Ｈｚ ５７．８７ ６６．３０ ７２．６９ ７８．３０ ８６．９３ ＮＤ＾１．Ｓ０ＬＵＴ１０Ｎ ｓＴＥＰ＝－Ｉ ＳＵＢ＝Ｉ ＦＲＥ￣２２．１０８ ＵＳｕＩＩ（ＡｖＧ） ＲＳｙｓ＝ｏ Ｉ Ｘ＝Ｏ．５２３８０３ ｓＩＩＸ－－Ｏ，５２３８０３ ０ ０，１１６ ４０１ ０，２３２ ８０１ ０，３４９ ２０２ ０．４６５ ６０２ ０．０５８ ２ ０．１７４ ６０１ ０．２９１ ００１ ０．４０７ ４０２ ０．５２３ ８０３ 图５第一模态振形图 图６第二模态振形图 从上面的分析结果来看，机架振动变形主要集 中在外压板，和后上梁。在频率为２２．１１ Ｈｚ时，两 侧立柱后部摆动比较大，对加工精度有一定地影响； 在频率为３５．６３ Ｈｚ时，两侧立柱摆动比较大，机架 发生扭曲，对加工精度影响比较大。ＱＣ１２Ｙ—４０× ２５００液压摆式剪板机的剪切效率为每分钟３次，剪 板机正常工作时频率比较低，且从模态分析中得出， 前十阶固有频率都是大于２２．１１ Ｈｚ，所以现在的机 器正常工作频率是符合要求的。如果外界激励比较 大，达到机架最小固有频率时，就会引起共振，机架 的振动变形很大，并且变形会主要发生在机架的重 （下转第４９４页） ４９４ 科学技术与７于工程 １０卷 ５徐大林，黄庆安．数字式自整角 旋转变压器变换技术发展综 述．微电机，２００６；３９（３）：８１～８５ 永．５１单片机Ｃ语言常用模块与综合系统设计实例精讲．北 京：电子工业出版社。２００７ ６童长飞．Ｃ８０５１Ｆ系列单片机开发与ｃ语言编程．北京：北京航空 航天大学出版社，２００５ ８谭建成．一种基于ＲＯＭ的数字一自整角机转换器．电机电器技 术，１９９４；２０（３）：２０—＿２２ ＡＤ２Ｓ６５ Ｃｈｉｐ’Ｓ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｌｏｏｋｕｐ＿ｔａｂｌｅ ＿ＺＨＡＮＧ Ｈａｉ—ｌｉｎｇ，ＭＡ Ｌｅｉ，ＣＨＡＩ Ｂｏ （Ｘｉ’ａＩｌ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｅｔｒｏｎｉｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ’ａｎ ７１００５４，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ Ｉｎ ｖｉｒｔｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｏｐｐｉｎｇ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ ＤＲＣ ｃｈｉｐｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｔｈｅ ｓｕｐｐｌｙ ｏｆ ｇｏｏｄｓ ｉｓ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ ｌａｃｋｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｉｃｅ ｉｓ ｒｅａｒｅｄ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ＤＲＣ ｃｈｉｐｓ’ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ＭＣＵ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ＤＲＣ ｃｈｉｐｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｌｓｏ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ＤＲＣ ｃｈｉｐｓ’ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ－－ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃ８０５１Ｆ ＭＣＵ ａｌｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｒｃｈｉｔｅｃ－ ｔｕｒｅ ａｎｄ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｌｏｏｋｕｐ——ｔａｂｌｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｒｅ ｕｓｅｄ．Ｌｅａｓｔ ｄｅｖｉｃｅｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ａｌｌ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｃｈｉｐ ａｒｅ —。ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｒｅａｃｈｅｄ ｔｏ ｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ＤＲＣ ＡＤ２Ｓ６５ 、 Ｃ８０５ １ Ｆ ｍｉｎｉｍｉｚｅ 、 ｌｏｏｋ—ｕｐ—ｔａｂｌｅ 、 、 、 、 （上接第４７８页） 要装配位置处，例如上刀架轴承座的支撑位置，间隙 调节装置等，因此应尽量避免振动变形的发生。 在强度和刚度方面都存在很大的裕量，是完全能够满 足应力条件的，其位移变形数据以及应力分布范围和 变化情况，为以后的优化分析提供了详实的依据。 ３结语 本文通过剪板机机架体进行有限元建模，并进 行线性静态分析，模态分析。从强度方面考虑，机架 最大应力值远小于许用应力，其强度满足使用要求； １王参考文献 耀．液压摆式剪板机机架有限元分析．上海：上海同济大学， ２００６：４３ ２张孝琼，张维强．半挂车车架主纵梁的有限元分析．科学技术与 工程，２００９；９（４）：１０６８－－１０６９ 从刚度方面考虑，机架的整体变形很小，整体来说机 架的刚度也是满足使用要求的。同时对于所分析的 剪板机机架来说，还要对一些危险区域（外压板部 ３蒋晨，陆云祥，汤文成，等．折弯机机架体的有限元法参数化建 模及分析．现代机械，２００４；（５）：３５—３６ ４盛和太，喻海良，范训益，等．ＡＮＳＹＳ有限元原理与工程应用实例 大全．北京：清华大学出版社，２００６ 位）进行强化。总体来讲，该型号剪板机机架的整体 Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｃｕｔｔｅｒ Ｆｒａｍｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＮＳＹＳ ＧＵ Ｘｉａｎｇ－ｊｕｎ，ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉ—ｑｉａｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ａｇｎｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎ ｉｎｇ ２１００３１，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｓｏｍｅ ｃｕｔｔｅｒ ｆｒａｍｅ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｌｉｎｅａｒ ｓｔａｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｒｅ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ａｎｄ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒａｍｅ ａｒｅ ｇｏｔ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ ｃｕｔｔｅｒ ｆｌａｍｅ ＦＥＭ ｓｔａｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ