基于HyperWorks的蜘蛛手箱体结构有限元分析与研究

撰文/刘丕晶 覃仕辉 陈杰璋

■415000 常德烟草机械有限责任公司研究所 湖南 常德



基于HyperWorks的蜘蛛手箱体结构有限元分析与研究

撰文/刘丕晶 覃仕辉 陈杰璋

■415000 常德烟草机械有限责任公司研究所 湖南 常德

以某卷接机组蜘蛛手箱体结构为研究对象，建立了有限元分析模型，利用有限元分析的方法，对箱体结构的模态进行了深入的分析。为蜘蛛手箱体结构的设计及改进提供了参考依据，并根据分析结果提出了针对该机组蜘蛛手箱体结构的改进建议。关键词：蜘蛛手；模态分析；Hyperworks；有限元

我国烟草机械对振动噪声的研究一直处于较低的水平上。随着产品性能的日益提升，人们对现代机电产品的环保要求越来越高。蜘蛛手传动是卷接机组及其重要的组成部分，其作用是将卷烟机上的烟支输送到接装机进烟鼓轮上，是机组高精度运转的机构之一［1］。蜘蛛手箱体作为蜘蛛手传动的一个主体结构，动态特性对其整体性能的影响尤为重要。箱体结构的设计关系到能否避开内部齿轮的啮合频率和风机的运行频率，而导致在箱体结构某些部位产生数值很大的共振载荷，发出强烈的噪声，并影响箱体的使用寿命。因此，对蜘蛛手箱体结构的动力性能的研究是卷烟机组减振降噪中一个及其重要的环节。

关于应用CAE对卷烟设备进行分析与研究的文献不多见。祝智斌［2］研究了蜘蛛手与接烟轮系统几何模型和运动学模型，研究了烟支交接的运动学特性。陈文［3］阐述了运用三维建模软件Pro/E和动力学仿真软件Adams进行虚拟样机仿真的方法和步骤，并对系统模型进行运动学和动力学仿真，运用虚拟样机技术，可以提高设计效率。为此，本文通过对以某卷接机组蜘蛛手箱体结构进行有限元模态分析，研究其箱体结构的固有频率和振动情况，得到了工程上有价值的结果，并提出改进建议，为后面对蜘蛛手箱体结构的优化设计奠定基础及提供理论依据。

箱体模型建立

a箱体有限元模型建立

蜘蛛手箱体结构内外部结构复杂，所以对箱体进行有限元模态分析时，必须选取整体作为研究对象，首先在PRO/E中建立三维实体模型，考虑到箱体结构有很多细小的结构特征，如装配工艺孔、定位孔、过渡圆角等，这些特征大多尺寸很小且对结构整体的性能影响很小。通过对其予以忽略或简化处理，有利于划分网格，并且可以保证较高的计算精度。最后，把简化模型导入Hyperworks软件中，设置参数，划分网格。

图1　蜘蛛手箱体结构有限元模型

蜘蛛手箱体结构材料为HT250，其弹性模量：1.38e11pa，泊松比：0.156，密度：7.28e3kg/m3，选取四面体网格，网格单元大小为3mm。设置完成后，开始划分网格，划分该箱体模型产生2229124个单元，478884个节点，蜘蛛手箱体结构有限元模型如图1所示。

箱体有限元模型求解

在结构动力学问题中结构固有频率和模态振型是动力学问题分析的基础。在无阻尼自由振动的情况下，结构的固有频率和阵型可转化为特征值向量的问题，分析系统自由振动时可以忽略阻尼的影响，可以表示为：

式中，ω—实数，为简谐运动的频率，ϕ为任意常数。

将（2）带入式（1）得：

将其特征行列式展开得到2ω的n次代数式：

箱体结构的模态分析结果

系统是系统的固有特性决定的，与外载荷无关，故不需要设置载荷边界条件，一般模态分析中唯一需要施加的载荷条件即零位移约束条件，综合分析Hyperworks中的各种提取方法特点，采用Block Lanczos法求解箱体模态较为合适。

为模拟该箱体结构的实际工作状态，施加箱体位移约束来计算箱体的模态频率。表1为蜘蛛手箱体结构的前6阶模态频率，图1～图6为前6阶模态的振型图。

表1　蜘蛛手箱体结构模态频率

图1　第一阶模态振型

图2　第二阶模态振型

图3　第三阶模态振型

图4　第四阶模态振

图5　第五阶模态振型

图6　第六阶模态振型

从表1中结果表明，蜘蛛手箱体的频率分布较紧密，这与箱体结构复杂的外形结构是相符合的。从各振型图可以分析出，第一阶模态沿Z向（轴输出方向）作横向振动，箱体左上端部振幅最大；第二阶模态沿Y向（垂直方向）作横向振动，箱体左下端部振幅最大；第三阶模态沿Z向（轴输出方向）作扭转振动，箱体左上端部振幅最大；第四阶模态X向（前后方向）作扭转振动，箱体左上端部振幅最大；第五阶模态沿X向（前后方向）作横向振动，箱体后下端部振幅最大；第六阶模态沿Y向（垂直方向）作扭转振动，箱体左上端部振幅最大。

综合上述分析，可以得出箱体左上端部和后下端部的刚度不足，易与箱体内部激励和风机激励发生共振，因此，可以对箱体结构进行改进。因为箱体结构变形多沿着壁厚方向，所以可以考虑通过增大箱体的壁厚或改进后下端部结构来增加箱体刚度。此方法可作为对蜘蛛手箱体结构改进方法的一种探索。

结论

通过对蜘蛛手箱体结构进行模态分析，研究了箱体的固有频率及振型。对蜘蛛手箱体结构的振型图和动画特性，能直观地分析了箱体的动态特性和薄弱环节，找出箱体产生振动的敏感部位，为后续设计中避开这些频率或最大限度地减小，避免共振现象，减小振动对箱体结构的影响，同时也为结构的改进设计提供了理论依据及改进建议。

参考：

［1］常德烟草机械有限责任公司，ZJ17卷接机组使用说明书［G］.2009.

［2］ 蜘蛛手-接烟轮系统模型与烟支交接运动学分析［J］.湖南文理学院学报（自然科学版），2015（3）.

［3］陈文，吴磊，赵朝阳，孙斌，沈磊.基于Pro/E和Adams的喇叭嘴机构的运动分析及仿真［J］. 烟草科技. 2011（10）

［4］傅志华，华宏量.模态分析理论与应用［M］.上海.上海交通大学出版社，2000.

刘丕晶（1987-），男，硕士研究生，工程师。主要从事卷烟机械振动与噪声的研究。