基于ANSYS Workbench纹杆式滚筒模态分析

周艳生 张静 李雪 岳建荣 夏广宝 杨宛章

摘要：纹杆式滚筒工作环境及工作载荷比较复杂，在脱粒作业过程中可能因设计、操作不当引起共振或谐振。采用SolidWorks三维设计建模软件对纹杆式脱粒滚筒进行建模，导入ANSYS Workbench软件中进行模态分析。分析结果表明：甘草种子脱粒所用的纹杆式脱粒滚筒安全可靠，不会引发共振等问题而导致设备损坏，为种子脱粒机的样机加工制造提供依据。

关键词：纹杆式滚筒；ANSYS Workbench；设计；模态分析

中图分类号：S226.1 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）03-0025-03

纹杆式滚筒是脱粒机械的重要组成部件之一，由脱粒滚筒完成脱粒的过程，从而获得所需的谷粒、种子。因此，在设计脱粒滚筒时，不仅要考虑脱粒滚筒刚度与强度，还要考虑其需要满足的动态性能。相对于传统的切流式脱粒滚筒，轴流式纹杆滚筒改变了脱粒方式，减小了对农作物击打力的作用强度。纹杆和钉齿焊接在滚筒上的轴流式脱粒滚筒在脱粒过程中，轴做高速旋转运动，物料在脱粒过程中还存在横向运动。在加工制造和安装过程中若精度不高，就会产生周期性的离心力，使脱粒滚筒轴产生弯曲变形振动。离心力不仅会使谷粒、种子与脱粒机的凹板、纹杆发生碰撞，影响脱粒作业效果，还会使滚筒上的钉齿纹杆径向方向产生弯曲变形，使籽粒破碎率急增。当脱粒纹杆滚筒作业时，若离心力产生的自激频率与外在激励频率相接近甚至相同，就会产生严重的共振现象。长期共振会使纹杆滚筒和轴承座螺栓等设备牢固性减低，造成脱粒机械损坏。因此，有必要对脱粒滚筒的动力学性能进行分析，为后面样机的加工制作提供理论依据。

在设计轴流式纹杆滚筒的基础上，运用ANSYSWorkbench软件对纹杆滚筒进行模态分析，研究脱粒滚筒是否发生共振或谐振，并假设脱粒滚筒在最恶劣的工况下，对纹杆脱粒滚筒进行瞬态分析，验证纹杆脱粒滚筒结构是否可靠。

1 有限元模型的建立

轴流纹杆式滚筒主要由脱粒主轴、脱粒滚筒、固定支杆和纹杆等零件经焊接而成，且主轴中间一段为空心管型结构。为划分网格方便和分析方便，在不影响分析结果的情况下，把螺纹杆简化为圆杆。横轴流纹杆式脱粒滚筒的主要结构参数见表1。

1.1 脱粒纹杆滚筒三维模型

用ANSYS软件中的Workbench进行动力学性能分析，先建立三维模型。在ANSYS中建三维模型的常用方法有两种：一种是直接在ANSYS软件中运用实体建模功能建立三维模型；另一种方法是运用SolidWorks、ug、proe等三维设计造型软件建立三维实体模型，然后导入ANSYS软件中。结构较复杂或者在ANSYS中建立模型比较困难的零件设备适宜用第二种方法建模。由于纹杆式脱粒滚筒结构稍微有点复杂，所以应用SolidWorks软件建立纹杆脱粒滚筒的三维模型，然后保存为Parasolid格式（文件后缀为.x_t）；再通过SolidWorks与ANSYS Workbench 的接口导入ANSYS Workbench平台中或者在ANSYS Workbench中直接打开，进行纹杆滚筒的动力学性能分析。纹杆式脱粒滚筒的三维建模图如图1所示。

在建模中对一些微小部位（如圆角、倒角等）进行简化，但不会影响分析计算结果精度。

1.2 材料特性

设计的封闭轴流纹杆脱粒滚筒的全部材料均为45号钢，材料的物理属性如表2所示。

1.3 网格的划分

网格划分是建立有限元模型分析的重要环节，网格划分效果的的优劣将影响计算分析结果的准确性。网格划分的步骤主要包括：确定单元属性；确定网格密度控制；网格划分。在本分析中，选择单元类型为Solid20node186，采用智能化划分网格。网格划分结果见图2。

2 模态分析

2.1 模态分析过程

模态是动力学分析的基础，主要对构件的振动特性进行分析，结构的振动特性决定了结构对其他各种动力学响应的情况，因此研究构件时必须完成构件模态分析。

模态分析的运动微分方程是：

[M]{}+[C]{}+[K]{U}={F（t）} （1）

其中：[M]为质量矩阵；[C]为阻尼矩阵；[K]为刚度矩阵；U为系统各点的位移响应向量；F（t）为系统各点的激励力向量。

如果系统是自由的，阻尼与外力为0，式（1）可简化为：

[M]{}+[K]{U}=0 （2）

弹性物体的振动是简谐谐运动的叠加，其数学解为：

U={X}ejwt （3）

把式（3）带入式（2）得：

（[K]-w2[M]）{X}ejwt=0 （4）

解此方程组，当方程系数行列式为0时，其有非0解，即：

[K]-w2[M]=0 （5）

该行列式称为特征行列式。将它展开可得到关于w的n次代数式，此式称为系统频率方程：

w2n+a1w2（n-1）+a2w2（n-2）+…+an-2w2+an=0 （6）

解方程（6）得出频率方程的n个正实根，为固有频率，认定没有重复解，因此可以由小到大排列为w12

根据实际工况和分析精度的需要，对滚筒主轴进行半约束，即：对其一端进行固定、一端限制部分位移，在该约束下对滚筒主轴的部位位移进行限制，确保可以研究脱粒滚筒的变形情况。约束完成之后，在脱粒滚筒上完成载荷添加，研究部分部位的变形状况。

2.2 模态分析的结果

通过ANSYS中worksbench分析，提取前10阶的固有频率和部分振型，结果如表3所示。

在10阶振型里面，固有频率在78～1063 Hz之间，纹杆滚筒固有频率随着振型阶次的增加而不断增加。表3中第7阶和第8阶固有频率比较接近，第9阶与第10阶的固有频率也比较接近。

前10阶振型中主要是拉伸、摆动、弯曲、扭转为主。纹杆滚筒能承受的最大载荷为16.30 Mpa，最小载荷5.8 Mpa。在第一阶分析振型图中能够看到纹杆部位容易发生扭转振动，长时间大喂入量脱粒作业纹杆部位容易产生疲劳损坏。第4阶支撑杆的弯曲兼轴向摆动滚筒壳体和纹杆容易发生变形。从第7，8，9，10阶振型图看出螺纹杆中间部位已产生疲劳。

3 结论

1） 采用SolidWorks软件建立纹杆式甘草种子脱粒滚筒的三维模型，然后导入ANSYSWorksbench中，分析前10阶固有频率及振型，对纹杆式滚筒易变形部位进行探讨。

2） 通过分析纹杆脱粒滚筒应力和最大变形量都在允许的范围内，滚筒的结构质量基本上合理。为后边的样机加工制造提供理论支持。