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新型塑化轴塑化元件谐响应分析研究

2020-12-02 161 上传者：管理员

摘要：塑化元件作为挤出机上至关重要的零件，需要充分保证其可靠性。首先运用Solidworks绘图软件建立塑化元件的三维模型，然后将模型导入Workbench中进行模态分析，得到塑化元件的前6阶固有频率以及对应振型图，进一步对塑化元件进行谐响应分析，得到应力频谱、应变频谱等，表明了塑化元件的具体工作状况，为塑化元件的进一步优化改进提供了技术支持和理论支撑。

关键词：
传统螺杆
塑化元件
挤出机
模态分析
谐响应分析
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传统螺杆对物料的塑化、压缩是采用改变螺槽体积来实现的，而改变螺槽体积通常是改变螺槽深度或者改变螺距或者同时改变这两者来实现，而新型塑化机构通过不同于传统螺棱的哑铃型结构来实现塑化、输送功能，且塑化元件负责的塑化模块是核心部分，塑化元件在运行中会受到各种周期性激振力的作用，为确保在此环境下的塑化元件正常工作，对其进行谐响应分析以了解塑化元件的可靠性。

1、理论方法

(1）模态分析的理论方法是：将线性系统的振动微分方程进行坐标转换，变为模态坐标下的分析问题，从而使得方程组解耦，成为以模态坐标及模态参数描述的独立方程，进而求出系统的模态参数。坐标变化的矩阵为模态矩阵，其每一列为模态振型。

其中[M]、[C]、[K]分别是质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，ẍ、ẋ、x分别是加速度、速度、位移响应向量，F(t)表示N维激振力。

(2）谐响应分析的理论方法是模态叠加法，其表示在模态坐标系中能够完成对谐响应方程的求解，对于线性系统，可以将x表示为关于模态形状∅i的线性组合表达式：

式中yi是指模态的坐标（系数）。根据以上公式可得，谐响应分析时所包含的模态n越多，则对应{x}的逼近越精确。固有频率ωi和相应的模态形状因子∅i是通过求解一个模态分析来确定的。

2、有限元模型的建立

根据塑化元件的相关设计参数，采用Solidworks绘图软件建立新型塑化元件的三维模型并且进行适当简化模型，再将所建立的模型保存为（.x＿t）中间格式，进而导入Workbench中开展后续分析。

图1塑化元件模型

图2网格划分

2.1塑化元件材料属性

选择新型塑化元件的材料为38CrMoAlA，其相对硬度为229HB，密度ρ=7900kg/m3，弹性模量E=1.9×105MPa，屈服强度σs=830MPa，拉伸强度σb=980MPa，泊松比μ=0.394。

2.2约束条件及有限元网格划分

新型塑化元件通过焊接与塑化轴相连接，其运动方式为跟随塑化轴转动而不产生其他方向的位移，由此在添加塑化元件的约束条件时，只需要限制其内孔面与塑化轴接触部分为固定约束，对于其他自由度不加以限制。

基于此模型相对不复杂，选择使用ANSYSWorkbench自动网格划分，在网格尺寸控制下设置单元尺寸为2mm，设置相关性为Fine对网格进行细化。可得生成网格节点数94512，生成网格单元数56921，网格划分平均质量为0.7456，网格划分满足分析要求。

3、模态分析

模态分析主要用于确定机械零部件以及各类物体自身的振动特性，即自身的固有频率和振型，同时模态分析也奠定其他动力学分析的基础，如谐响应分析等。此次研究中设置求解塑化元件的前6阶模态，得到其对应共振频率以及振型结果如表1。

表1模态分析结果

根据以上计算结果分析可得：（1）随着阶数的不断增大，共振频率和共振最大变形都呈现逐渐增大的趋势；（2）由共振引起的变形都相对较大，从1阶共振最大变形123.59mm到6阶共振最大变形124.02mm;(3）在前6阶模态分析中，最大共振变形在第5阶次最大，最大变形量为124.38mm;(4）根据变形云图可知，塑化元件共振变形主要表现在哑铃状圆球部分，从变形方向来看，主要表现为塑化元件径向上的压缩变形以及轴向的拉伸变形。

图3第1阶模态振型

图4第2阶模态振型

图5第3阶莫泰案真相

图6第4阶模态振型

图7第5阶模态振型

图8第6阶模态振型

4、谐响应分析

谐响应分析主要用于确定线性零部件在持续、周期的载荷下的周期性响应情况。谐响应分析能够计算并预测结构的持续动力学特性，进而验证其设计能否克服共振等其他受迫振动引起的有害现象。

采用模态叠加法完成谐响应分析求解，根据模态分析得出的固有频率，取谐响应分析的扫频范围为3000Hz-3600Hz，为保证求解结果的准确性，设定求解步数为100进行求解。

图9所示为塑化元件应力频率响应，图10所示为应变频率响应。（1）根据应力频率响应图可得塑化元件所受应力变化趋势是先逐渐增大后逐渐减小，其最大应力出现在3522Hz，大小为7.15MPa。（2）由应变频率响应线图可得，随着频率的不断增大，应变同时不断增大，直到在3520Hz附近出现应变峰值约为2.5×10-5mm，随后应变开始逐渐减小。

图9应力频率响应

图10应变频率响应

图11至图13分别代表塑化元件沿着X轴、Y轴、Z轴三个不同方向的位移和其对应位频率的关系。根据幅频响应曲线可知：（1）塑化元件沿X轴的位移随着频率的增大而略有差异，具体表现为频率由3000Hz逐渐增大到3120Hz时，其对应位移也逐渐增大，位移最大值在3120Hz处为8.88×10-5mm；从频率3120Hz到5000Hz，位移呈现出先减小后增大的趋势，最小值在3320Hz附近出现为9.37×10-6mm;(2）沿Y轴与沿Z轴方向位移总体表现为随着频率的不断增大，位移先增大后减小。沿Y轴位移最大位移出现在频率3520Hz时，最大位移为1.20×10-3mm，沿Z轴位移最大位移出现在频率3519Hz时，最大位移为8.54×10-4mm,

图11沿X轴方向幅频响应

图12沿Y轴方向幅频响应

图13沿Z轴方向幅频响应应

5、结论

本文利用Solidworks和ANSYSWorkbench联合仿真，对挤出机新型塑化元件进行了模态分析以及谐响应分析，可得以下结论：

(1）通过对新型塑化元件的模态分析可得，前6阶固有频率对应共振最大变形由123.59mm到124.02mm呈现总体不断变大的趋势，塑化元件的前6阶固有频率处于3174.4Hz∽3519.4Hz之间，可得工作频率远远小于工振频率，无共振现象发生。

(2）通过对新型塑化元件的谐响应分析得出新型塑化元件的的应力频谱、应变频谱以及塑化元件沿X轴、Y轴、Z轴的位移状况，为准确把握塑化元件的运转状况提供了参考，分析结果表明该新型塑化元件满足使用要求，同时从谐响应分析得到的应力频谱能够对塑化元件的疲劳寿命进行较为精准的预测，所求得的分析数据对后续优化改进具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]王东升,陈新记,申东亮.基于ANSYSWorkbench的齿轮箱箱体模态及振动响应分析[J].煤矿机械,2020,41(7):69-72.

[2]李东,沙文瀚,王飞,等.基于ANSYS的电动汽车框梁组件动力学分析[J].汽车零部件,2020(6):65-67.

黄发国,杨杰,潘家芳,梁敏朝.橡胶挤出机新型塑化轴塑化元件的有限元分析[J].轻工科技,2020,36(12):23-24.

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期刊名称：现代制造

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专业分类：机械

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发行周期：半月刊

期刊开本：大16开

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