滑动摩擦磨损试验机的=PSZS模态分析
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滑动摩擦磨损试验机的=PSZS模态分析杨育林 陈占利 齐效文!燕山大学机械工程学院"河北秦皇岛 &’’&&V#
摘 要:介绍一种专门用于滑动摩擦磨损的试验机,它是一种具有高效、在线监控、实时数据显示、并能对多种尺寸试件进行试验的精密试验机。其中机架是该试验机的重要组成部分,在机架上安装有加载装置和传感器检测装置,试验机在运转过程中产生的振动对试验结果和试验数据的影响不容忽视,所以对机架进行动力学研究是十分必要的。利用参数化的Sa7前处理软件3RlaXRAZ对模型进行全六面体网格划分,然后导入7!T:T中进行模
态分析,得到系统的固有频率和振型,为改进试验机的性能提供数据支持。关键词:试验机;模态分析;3RlaXRAZ;7!T:T
中图分类号:3456#$’ 文献标识码#
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:)>=:;H9>,L,<>@,)>H9,W9\9)"P<>(!044)%)062)&"#$.1$%.$))+.$%,M#$*"#$;$.<)+*.-?,@)K).N.$"’#$%8#0&’’&&V)
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A 引 言该试验机是一种专门用于滑动摩擦磨损的试验机,是燕山大学摩擦学试验室自主开发的一种具有高效,在线监控,实时数据显示,并能对多种尺寸试件进行试验的精密试验机。其中机架是该试验机的重要组成部分,在机架上安装有加载装置和传感器检测装置,由于该试验机接触部位是轮式结构,所以不会影响到摩擦力在水平方向上的测量。另外,左侧的压力传感器能精确测量摩擦力的大小,并通过并行接口传送数据到计算机,此外该机还提供摩擦温度和转速的测量手段。但是顶部加载装置和左侧的压力传感器的垂直与水平形位变化将直接影响到试验效果,试验机在运转过程中产生的振动对试验结果和试验数据的影响不容忽视,所以对机架进行动力学研究是十分必要的。通过利用优秀的有限元分析Sa7前处理软件3RlaXRAZ可以对模型进
行全六面体网格划分,3RlaXRAZ强大的六面体网格划分功能使我们可以快速高效地对复杂形状的机架进行优质的网格划分。然后导入7!T:T中进
行模态分析,得到系统的固有频率和振型,为改进试验机的性能提供数据支持。B 模态分析理论在结构动力学问题中结构固有频率和固有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,结构的固有频率和振型可转化为特征值和特征向量的问题。!自由度无阻尼系统的自由振动可表示为:[P].[L(-)/H[F].L(-)/C.&/(#)由于弹性体的自由振动可以分解为一系列简谐振动的叠加。因此可设式(#)的解为:.L(-)/C.’/+"C(0-E1)(%)式中,03实数,为简谐运动的频率;j3任意常数。将式(%)代入式(#)得:[F].’/E0%[P].’/C&(.)这是一个关于.’/的$元线性齐次代数方程组,该方程组有非零解的充要条件是它的系数行列式等于零,即1F.GU0%P.G1g&此式称为系统频率方程,该行列式称为特征行列式。将它展开可得到关于0%的$次代数式:0%$H$#0%($E#)H$%0%($E%)H4H$$E#0%H$$C&假定系统的质量矩阵与刚度矩阵都是正定的实对称矩阵,在数学上可以证明,在这一条件下,频率方程1F.GU0%P.G1g&的$个根均为正实根,它们对应于系统的$个自然频率,这里假定各根互不相等,即没有重根,因而可以由小到大按次序排列为
0%#)0%
%)
4)0%$。将求得的0
+
(+g#,%,4,$)分别代入方程
(.)求得相应的.’(+)
/,这就是系统的模态向量或振
型向量。
BXA 用Sa7前处理软件进行前期的六面体网格划分3RlaXRAZ是世界著名、专业通用的网格划分前处理软件,支持大部分有限元分析(Sa7)和计算流体动力学(LSZ)软件;该软件是交互式、批处理、宏和关键字操作;可快速地建立复杂几何物体
的六面体网格;我们知道,六面体网格可以使有限元分析达到较高的精度,只是由于7!T:T本身的六面体网格划分功能不强,所以对于稍复杂的零件大
都采用四面体的智能网格划分,我们常常因为网格划分的不均匀和畸形单元而苦恼。3RlaXRAZ成功的解决了这些问题。由于底部油箱与机架之间用螺栓紧固,所以在建模时简化为一体,将
3Rla-
XRAZ所建模型导入7!T:T中的模型如图#所示。
图# 导入7!T:T之后的模型B$B 用7!T:T对模型进行模态分析由于该模型是全六面体网格,所以完全我们可以选用单一的实体单元T[8AZV0。该模型中均匀网格满足了我们质量矩阵中密度均匀的要求,将模型从3RlaXRAZ导入7!T:T中只须在命令窗口输入如下指令:a!Z17R3;(aRXa;7!T:T;2RA3a;然后将其输出文件的头文件中作如下替换:
(3RlaXRAZ文件头) (7!T:T文件头)/L[(X<><*)B
/L[(\:@T+9<>B9K9+7IIH9+)B9">C,A>+$SA!AT4
/L[(#.%VL">+)>>">YHGF$/L8a7R
e7!,22/1Ra16a3,#,0a3,#,V0
(1,a\,#,%$&’&&&&af&5(1,a\,#,%$&’&&&&&&af&5(1,!l\:,#,.$&&&&&&aU&#(1,!l\:,#,.$&&&&&&aU&#
50试验技术与试验机
()*+,$%&&’(1,Za!T,#,6$5&&&&&af&.(1,Za!T,#,6$5&&&&&&aU&’BXC 模态分析试验结果
确定有限元模型符合要求后,定义约束机架的左右水平翼板性下部节点的全自由度。选用
YH"+Q
8)>+E"C法求解模态,共扩展了#0阶模态,提取前V阶模态如下:
图% 第#阶和第.阶振型图阶数固有频率/4E振型描述#//$%’%两侧壁左右T形摆动%%/&$6.顶壁上下振动..55$0’两侧壁和顶壁振动VV#.$/’两侧壁水平扭转
第#阶和第.阶振型图,如图%所示。通过观察所提取的#0阶模态发现,#～/阶模态主要是机架上部的局部模态,而#&～#0阶模态则是整体模
态,总的来说机架上部包括侧壁和顶壁是变形趋势最突出的部分,底部油箱的变形趋势则小的多。这表明机架上部的刚度低于下部,这是由该机架的结
构特点决定的,为了使机架的整体刚度趋于平均,建议适当增加上部侧板和顶板的厚度,同时尽可能的减小侧壁的高度。基于以上分析,我们对试验机机
架作了如下修改:
(#)将机架侧壁和顶壁的厚度由原来的#&DD
增加到现在的#0DD。
(%)
将机架侧壁的高度由原来的05&DD减少
到现在的0&&DD。
按照该尺寸加工的机架在运行中的动力学性能很好,各种传感器安装到机架上以后运行状态良好,
所测量到的试验数据基本能达到试验的要求,下面是载荷压力的测量值和真实值比较,如图.所示。
C 结 论综上分析可以看出,通过对机架的模态分析,可以找到各部位变形趋势。由于机架上安装有高灵敏
图. 载荷压力的测量值和真实值比较度的传感器,所以必须对机架中变形趋势较明显的部位进行改良。对于两侧壁板和顶壁板的加厚大大减小了机架的振动幅度,保证了安装在顶壁和侧壁上的压力传感器和摩擦力传感器的正常工作。另外,试验机的工作频率必须避开机架的低阶固有频
率,从而保证试验机的平稳工作。
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/0!"#$%&&’ 杨育林等:滑动摩擦磨损试验机的7!T:T
模态分析
