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焊接变位机有限元模态分析
Finite element modal analysis on welding positioner
杨东,刘广亮,李向东,马士国
YANG Dong, LIU Guang-liang, LI Xiang-dong, MA Shi-guo
山东科学院自动化研究所山东省机器人与制造自动化技术重点实验室,济南250014
摘要:有限元模态分析作为一种先进有效的动态、优化设计方法,可用于协调焊接变位机刚度与重置
的问题,使其结构设计更为合理。本文基于有限元分析软件 ANSYS对焊接变位机进行有限元
模态分析,得到了焊接变位机的模态参数和振型,为焊接变位机结构优化提供参考依据
关键词:焊接变位机;有限元;模态分析
中分类号:TG439.9
文献标识码:A
文章编号:1009-0134(2012)04(上)-0104-03
Doi:10.3969/j.ISSn.1009-0134.2012.4上).32
0引言
焊接生产的机械化和自动化可以有效提高焊
接质量和效率,降低工人的劳动强度。焊接变位
机作为一种焊接辅助装备,是实现焊接生产机械
化和自动化的重要组成部分,焊接变位机的工作
性能将直接影响焊接质量。焊接变位机的工作性
能与其动态性能关系非常密切,其动态性能(振
动、噪声和稳定性等)是影响其工作性能和焊件
质量的重要指标。
为了避免变位机在工作时发生共振或者其他有
害振型,需要确定变位机系统的固有频率。本文通
过有限元的分析方法],基于 ANSYS软件对焊接
变位机进行有限元模态分析,得到了其低阶固有频
图1焊接变位机
率和对应主振型,为焊接变位机的结构优化提供参
考,同时也为其故障诊断提供了方法。
1有限元模型建立
1.1焊接变位机实体造型
焊接变位机的结构形式可分为三种:伸臂
式、座式和双座式。本文研究对象为一种伸臂式
焊接变位机,如图1所示,其结构主要由回转工作
台,伸臂,转轴和机座组成。
在进行有限元模态分析时,需采用适当的箭
化和等效原则把焊接变位机简化为利于分析的模
型,以降低计算量、提高计算速度。简化的原则
图2焊接变位机简化模型
是,既要对分析对象进行适当简化以便于计算,又1.2有限元模型建立
要确保分析对象的主要力学性能不发生变化。本分
有限元模型建立的基本思想是将结构进行离
析删除变位机上电机等次要零部件和倒角、螺栓、散化,即把连续的集合体离散成无限个单元体。
螺栓孔等微小特征,简化后的模型如图2所示。
模型建立的过程主要包括:前处理(选择单元、
收稿日期:2011-09-02
基金項目:山东省科技发展计划(2011GGX10322)
作者简介:杨东(1985-),男,山东邹城人,主要从事机器人与制造自动化和齿轮精密成型工艺研究。
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材料以及网格划分等)、求解、后处理(分析结如表1所示,前四阶模态振型如图4~图7所示。
果的输出)。
表1有限元计算结果
焊接变位机由钢结构焊接而成,其材料属性
阶次固有频率/Hz
102.05
为:弹性模量207GPa;泊松比0.3;密度7.8gcm2
112.76
充分考虑网格精度、计算速度等因素,本分析采用
1234567890
31.64
156.50
三维实体单元 SOLID186进行网格划分,单元边界
160.03
尺寸30mm。划分好网格的模型如图3所示,共有
314.08
371.92
56985个单元,110405个节点
451.10
ANSYS
ANSYS
File: E: \ans yadong\abc, x
01342026694
093395
120079
图3网格划分模型
图4焊接变位机第一阶振型
2焊接变位机模态分析
ANSYS
2.1模态分析理论
模态分析用于确定设计结构或机器部件的固
有频率和振型等振动特性。可以作为其他动力学
问题分析的起点,如瞬态动力学分析、诺响应分
析和谱分析,也是模态叠加法诺响应分析或瞬态
动力学分析所必需的前期分析过程?。
典型的无阻尼模态分析求解的基本方程就是
特征值问题:
03448
957409
103334
[K]@}=v[J(}
File: E: \aasysdonelabc x t
式中,
图5焊接变位机第二阶振型
K为刚度矩阵
ANSYS
}为第阶模态的振型向量(特征向量)
M]为质量矩阵
w为第玠模态的固有频率,w2为特征值。
多自由度系统的振动,可分解为n个单自由度
的间歇真的的叠加。
2.2模态分析结果
系统的各阶固有振型中,低阶振型对系统结构
的振动影响较大,因此,对结构的动态性能影响也
最大。本文对变位机进行模态分析时求得其前十阶
034112
029593
ile: E: ansysdonelabex t
固有频率,并对其前四阶主要振型进行说明。
图6焊接变位机第三阶振型
求解后,得到焊接变位机的前十阶固有频率
第34卷第4期2012-04(上)【105