机械结构动态设计方法及应用分析
机械结构动态设计方法及应用分析
发表时间：2016-06-22T10:31:43.103Z 来源：《科技中国》2016年4期作者：文思钊汪伟[导读] 随着现代机械制造业的快速发展，对机械产品质量也提出更高的要求。
武汉滨湖电子有限责任公司湖北武汉430205
摘要：随着现代机械制造业的快速发展，对机械产品质量也提出更高的要求。从现行大多机械设备设计情况看，更注重以自动化、轻量化、精密型以及高效型等为设计方向。但也有部分设备运行中在噪声、振动问题上较为严重，不仅影响设备综合性能的发挥，也容易对操作人员带来一定的伤害。通过实践研究发现，将动态设计方法引入其中，对提升机械结构设计水平可起到明显作用。本文将对ANSYS软件应用下的有限元动力学、试验模态分析在结构动态设计的应用以及基于结构动力学的结构动态设计进行探析。
关键词：动态设计；机械结构；应用
前言：作为一项复杂系统工程，工程结构设计需充分做好可靠性、热强度、疲劳、振动以及静强度分析，若设计中忽视对这些因素的考虑，便会产生设备运行中功能性与可靠性较差等问题。尽管部分制造企业逐渐将动态设计方法引入，但所取得的成效并不明显，究其原因在未能对动态设计给予正确认识。因此，本文对动态设计方法在机械结构设计中的运用研究，具有十分重要的意义。
一、ANSYS软件应用下的有限元动力学分析
关于动力学分析，其旨在对系统动力特性进行研究，而这种特性又表现在线性与非线性动力两方面，或以载荷与时间变化关系为依据可细化为瞬态、稳态等动力分析。以其中现行分析为例，可考虑将ANSYS软件引入，其对于动力学特性的分析可起到明显作用。本文在研究中便考虑以ANSYS软件应用为基础，构建相应的有限元模型。在保证建模合理且连接条件、边界条件等合理的情况下，要求结合具体机械结构完成有限元模态分析过程。具体建模中由于需对实体结构、板壳结果进行考虑，所以可将混合建模技术引入。该技术指导下首先要求做好模型简化工作，如对于水下航行器，可对影响整体结构较小的如小倒角、小圆角以及小孔等忽略，而连接锥、尾锥与壳体可作为刚性连接，或由卡箍连接的中间壳体与连接盘，也可以刚性连接为主，这些连接部分将作为模型主要内容。其次需进行关键点的构建，可通过将CAD软件引入，对各点坐标进行求解。且注意在关键点设置合理基础上选择单元类型，这样可在各单元利用下完成应变、变形、应力刚化、膨胀与塑性等分析过程。最后，做好指定材料属性与构建结构实体模型工作。如中段中的材料单位铝合金，其在弹性模量、波松比与材料密度上分别保持为7e10Pa、0.3与2.7e3kg/m3。而在实体模型构建中，要求采用点、线、面依次进行壳体结构建模过程。需注意的是，模型构建时由于水下航行器在结构上较为复杂，所以采用有限元分析时，还应做好谐响应分析，这样可保证设计人员对持续动力进行预测，尽可能将疲劳、共振等带来的影响控制到最低程度[1]。
二、试验模态分析在结构动态设计的应用
关于试验模态分析，其主要指对机械结构系统采取振动特性研究，使其中表征模态参数被求解，可直接将激振力施加于机械中，在此基础上对机械振动响应进行测量，这样便能完成振动特性、模态参数识别等过程。从试验模态分析看，集中表现为试验模态、计算模态两方面。前者实现中通常以步进正弦、多点随机以及锤击法模态等为主，而后者则是在有限元模型下完成结构动态特性分析过程。具体引入到机械结构分析中，主要在机械及其具体结构上激振，并通过识别频率相应、模态参数，使系统参数被分析[2]。具体进行试验模态分析中，其步骤包括：①试件仿真。该过程既可在实验室也可直接在现场开展，主要需对结构试件、机械试件等是否接近真实情况；②合理布置传感器与激振器。由于结构试件测量中需从三个方向开展，所以可将三轴振动传感器引入。而在激振器方面，主要需保证激振力的施加较为合理；③测试频率响应。测试中一般以通道校准方式为主，判断振动响应、激振力响应情况，或直接采用系统校准方式，对试件进行测试。在完成这些工序后，便需识别模态参数并将最后的分析结果输出。以水下航行器为例，在结构模态分析中可考虑将PULSE多分析仪引入，为使其测试结果得以验证，要求将虚拟仪器引入，这样可使最终的测试结果更为精确[3]。
三、基于结构动力学的结构动态设计分析
实际动态设计机械结构中，面临的问题主要表现在如何动态优化结构层面，包括：第一，固有频率。该问题又可被理解为广义特征值、带频率约束等，要求在求解中将矩阵摄动法、优化准则法以及数学规划等引入。第二，振型问题。其主要指特征向量反问题，可通过惩罚函数法使其得以解决。第三，振幅问题。一般激振力扰动时，若结构参数不合理，很容易导致动力响应振幅值受到影响，需适时做好结构参数调整，以此达到优化的目的。结合这三方面问题，在动态设计机械结构中，以水下航行器为例，要求采取动力学修改方式。如直接将筋板设置于壳体中，保证结构在刚度上得以增强，使振动幅度进一步降低。为保证动力修改后，结构设计更为合理，如在ANSYS软件利用基础上采取有限元动力学分析，并对材料更换后判断幅值变化。通常在材料更换下，对于壳体运动的抑制可起到明显改善作用[4]。
结论：动态设计方法的引入是提升机械结构动态设计水平的关键所在。实际设计中，应正确认识动态设计的基本内涵与重要性，将ANSYS软件引入并进行有限元动力学分析，同时注意在结构动态设计中将试验模态方法引入，其目的在于有效判断结构振动特性。另外，设计中需结合具体振幅、振型与固有频率问题，采取动态参数调整方式，并判断参数调整后的设计是否合理，这样才可促进机械结构综合性能的提升。
参考文献：
[1]张艳岗. 基于关键时间点的能量等效静态载荷法及结构动态响应优化研究[D].中北大学,2014.
[2]李小刚,程锦,刘振宇,吴震宇. 基于双层更新Kriging模型的机械结构动态特性稳健优化设计[J]. 机械工程学报,2014,03:165-173.
[3]姜衡. FWV-6A立式加工中心动静态特性分析及优化设计[D].华南理工大学,2011.
[4]宋婷婷. 桥式起重机桥架的有限元模型及动态特性分析[D].昆明理工大学,2012.