利用ANSYS WORKBENCH膜片聯軸器的模態分析論文

　　引言

　　膜片聯軸器是機械中連接主動元件與從動元件并傳遞轉矩的重要機構，在很多應用場所機械性能優于剛性聯軸器。膜片在傳遞轉矩時同時受壓縮和拉伸，依靠彈性變形將主從動機聯接起來，并且具有減振、噪聲小等優點。同時也山于經常工作在不對中的主從動機構之間，膜片聯軸器受到復雜載荷和振動的作用，組成膜片聯軸器的主要部件容易產生磨損。為了對組成膜片聯軸器的各部件進行模態分析，避免聯軸器部件之間因共振產生的振動噪聲問題，使傳動系統工作正常、提高傳動系統性能，有必要對聯軸器及其關鍵部件的一些振動參數進行分析研究。

　　機械結構因結構、材料、運動機理等因素的不同會產生不同的振動特性，這種振動特性又可以稱為機械的結構模態，模態參數常用阻尼比、固有振型及頻率表不2獲得這些參數就是模態分析的主要任務，主要可以通過理論計算、試驗或者計算機仿真模擬獲得。通過理論方法獲得需要復雜的計算過程，用時長且復雜。試驗模態分析法需要產品試制成型，生產制造一件產品的周期長，因此不便及時獲得產品的模態特性相關數據。計算機技術在工程領域的發展使理論模態分析法得以在較短產品周期內完成。本文在Pro/E造型環境下對金屬膜片聯軸器的各零部件進行仿真設計，在ANSYS WORKBENCH建立模態分析，根據模態分析理論對聯軸器整體及重要部件進行仿真求解，分析其固有振動特性。

　　1 夾板襯套式金屬膜片聯軸器的結構

　　夾板襯套式金屬膜片聯軸器主要山連接主傳動元件的左半聯軸器和夾緊螺栓、具有較大彈性的膜片組、連接從動元件的右半聯軸器和夾緊螺栓裝配而成。膜片組是聯軸器的彈性元件，它大多山兒片相同形狀的金屬膜片通過加工組成膜片組，膜片的材料很大程度上決定了聯軸器的撓性優劣，是膜片聯軸器的關鍵部件。根據膜片組形狀的不同會有數量對稱的幾組螺栓孔，它們與螺栓裝配連接，通過螺栓連接將主動機構的轉矩傳遞給膜片組，膜片組受力發生變形傳遞轉矩。當主動軸與從動軸之間出現不對中或偏移時，膜片組發生彈性變形，保證主從動軸之間的柔性連接。金屬膜片聯軸器連接緊密，不依賴潤滑，可以適應大多數復雜環境。若采用合金材料還可以大大減小結構質量，主要連接高速且主傳動載荷變化小的主從動軸之間，是一種發展空間極大的聯接機構。但對有較大沖擊、轉矩變化大、振動劇烈的聯接環境，這種聯軸器結構存在很大的局限性。

　　轉矩在主從動元件傳遞主要是通過夾緊螺栓、2個山4片同形狀、同材料金屬薄片組成的膜片組完成。其轉矩的傳遞過程是:主傳動從左半聯軸器傳入經螺栓傳給膜片組到中間體，再山另一組膜片傳至右側螺栓及右半聯軸器，最后通過聯接傳至從動元件輸出。每片膜片組山四片膜片組成，材料采用高強度的強力鋁合金板簧，輕量、有較高的抗扭剛度，能適合高響應。

　　2 結構模態分析理論

　　模態分析屬于動力學分析的范疇，模態分析得到的相關數據(固有頻率及相關振型)可以反映結構本身的振動性質5。模態分析的一個重要作用就是求解其結構的固有頻率和各階振型，作為結構共振分析和改善結構系統動力學特性的重要手段，提高結構系統的安全系數。模態分析的核心理論涉及機械學、數學、信號處理以及控制工程等多種理論，模態分析的過程就是利用這些理論獲得模態參數。它的本質是一組坐標變換，通常機械結構是在物理坐標系中用微分方程組表述。為了獲得模態參數就需要將物理坐標變換為模態坐標，求解方程組得到模態阻尼比、模態頻率及振型，這些參數可以用作載荷的計算與識別以及修正有限元理論模型。其過程大致為:用分析數據建立一個部件的新的數學模型，然后再將修正的模型裝配替換掉原有模型達到優化目的。

　　3 膜片聯軸器模態分析

　　3.1 膜片聯軸器的有限元模型

　　在Pro/E中保存金屬膜片聯軸器模型副本格為*.IGES-，這樣ANSYS WORKBENCH通過格式轉換就可以直接讀取聯軸器實體模型，從而建立聯軸器有限元模型。在ANSYS WORKBENCH工作界面上實現以下操作:在工程Modal中右擊Geometry選擇Import Geometry }}}可以導入在Pro/E中建立的膜片聯軸器模型，在Geometry中點擊Generate就可以得到聯軸器的仿真模型。

　　3.2 聯軸器整體網格化模型

　　進入ANSYS WORKBENCH模態分析工程(ModaD界面，在Details of"Mesh選擇材料為鋁合金(AluminumAlto)戶。為了縮短求解時間，本文采用系統默認三角形單元進行網格劃分，對聯軸器進行網格劃分得到模態分析的計算模型，節點Nodes 64 001個，Elemems 33 682，如圖2所不。網格化模型邊界條件設置:對膜片聯軸器一側螺栓孔實施固定約束，對兩軸孔進行無摩擦約束。

　　3.3 聯軸器模態分析

　　利用ANSYS WORKBENCH軟件Modal工程中Solve模塊，仿真解出整體和中間連接體網格化模型的相關數據可以以看出膜片聯軸器隱藏部分元件后得到的中間連接體模態分析結果。

　　膜片聯軸器的第一階模態固有頻率為263 Hz，隨著階數和頻率的逐漸增大，聯軸器的中間體整體振型變化明顯，膜片聯軸器受第一階頻率影響較大，高階頻率影響較小。從膜片聯軸器的許用轉動速度10 000 r/min可以求得系統的轉動頻率166.67 Hz，山振動理論可知系統頻率遠離低階模態固有頻率為263 Hz系統是安全的。

　　4 結語

　　在Pro/E造型環境中完成了夾板襯套式聯軸器各部件造型設計并完成裝配，通過ANSYS WORKBENCH模態分析工程完成了聯軸器及其關鍵部件的網格劃分，并進行了模態仿真求解，獲得了結構的頻率及相關振型數據。分析仿真數據可知:聯軸器和膜片組受到低階模態頻率影響較大，結合結構共振理論和理論計算的膜片聯軸器轉頻，組成聯軸器的關鍵元件都與共振頻率相差較大，系統不產生共振現象。

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