利用ANSYS WORKBENCH膜片联轴器的模态分析论文
引言
膜片联轴器是机械中连接主动元件与从动元件并传递转矩的重要机构，在很多应用场所机械性能优于刚性联轴器。膜片在传递转矩时同时受压缩和拉伸，依靠弹性变形将主从动机联接起来，并且具有减振、噪声小等优点。同时也山于经常工作在不对中的主从动机构之间，膜片联轴器受到复杂载荷和振动的作用，组成膜片联轴器的主要部件容易产生磨损。为了对组成膜片联轴器的各部件进行模态分析，避免联轴器部件之间因共振产生的振动噪声问题，使传动系统工作正常、提高传动系统性能，有必要对联轴器及其关键部件的一些振动参数进行分析研究。
机械结构因结构、材料、运动机理等因素的不同会产生不同的振动特性，这种振动特性又可以称为机械的结构模态，模态参数常用阻尼比、固有振型及频率表不2获得这些参数就是模态分析的主要任务，主要可以通过理论计算、试验或者计算机仿真模拟获得。通过理论方法获得需要复杂的计算过程，用时长且复杂。试验模态分析法需要产品试制成型，生产制造一件产品的周期长，因此不便及时获得产品的模态特性相关数据。计算机技术在工程领域的发展使理论模态分析法得以在较短产品周期内完成。本文在Pro/E造型环境下对金属膜片联轴器的各零部件进行仿真设计，在ANSYS WORKBENCH建立模态分析，根据模态分析理论对联轴器整体及重要部件进行仿真求解，分析其固有振动特性。
1 夹板衬套式金属膜片联轴器的结构
夹板衬套式金属膜片联轴器主要山连接主传动元件的左半联轴器和夹紧螺栓、具有较大弹性的膜片组、连接从动元件的右半联轴器和夹紧螺栓装配而成。膜片组是联轴器的弹性元件，它大多山儿片相同形状的金属膜片通过加工组成膜片组，膜片的材料很大程度上决定了联轴器的挠性优劣，是膜片联轴器的关键部件。根据膜片组形状的不同会有数量对称的几组螺栓孔，它们与螺栓装配连接，通过螺栓连接将主动机构的转矩传递给膜片组，膜片组受力发生变形传递转矩。当主动轴与从动轴之间出现不对中或偏移时，膜片组发生弹性变形，保证主从动轴之间的柔性连接。金属膜片联轴器连接紧密，不依赖润滑，可以适应大多数复杂环境。若采用合金材料还可以大大减小结构质量，主要连接高速且主传动载荷变化小的主从动轴之间，是一种发展空间极大的联接机构。但对有较大冲击、转矩变化大、振动剧烈的联接环境，这种联轴器结构存在很大的局限性。
转矩在主从动元件传递主要是通过夹紧螺栓、2个山4片同形状、同材料金属薄片组成的膜片组完成。其转矩的传递过程是:主传动从左半联轴器传入经螺栓传给膜片组到中间体，再山另一组膜片传至右侧螺栓及右半联轴器，最后通过联接传至从动元件输出。每片膜片组山四片膜片组成，材料采用高强度的强力铝合金板簧，轻量、有较高的抗扭刚度，能适合高响应。
2 结构模态分析理论
模态分析属于动力学分析的范畴，模态分析得到的相关数据(固有频率及相关振型)可以反映结构本身的振动性质5。模态分析的一个重要作用就是求解其结构的固有频率和各阶振型，作为结构共振分析和改善结构系统动力学特性的重要手段，提高结构系统的安全系数。模态分析的核心理论涉及机械学、数学、信号处理以及控制工程等多种理论，模态分析的过程就是利用这些理论获得模态参数。它的本质是一组坐标变换，通常机械结构是在物理坐标系中用微分方程组表述。为了获得模态参数就需要将物理坐标变换为模态坐标，求解方程组得到模态阻尼比、模态频率及振型，这些参数可以用作载荷的.计算与识别以及修正有限元理论模型。其过程大致为:用分析数据建立一个部件的新的数学模型，然后再将修正的模型装配替换掉原有模型达到优化目的。
3 膜片联轴器模态分析
3.1 膜片联轴器的有限元模型
在Pro/E中保存金属膜片联轴器模型副本格为*.IGES-，这样ANSYS WORKBENCH通过格式转换就可以直接读取联轴器实体模型，从而建立联轴器有限元模型。在ANSYS WORKBENCH工作界面上实现以下操作:在工程Modal中右击Geometry选择Import Geometry }}}可以导入在Pro/E中建立的膜片联轴器模型，在Geometry中点击Generate就可以得到联轴器的仿真模型。
3.2 联轴器整体网格化模型
进入ANSYS WORKBENCH模态分析工程(ModaD界面，在Details of"Mesh选择材料为铝合金(AluminumAlto)户。为了缩短求解时间，本文采用系统默认三角形单元进行网格划分，对联轴器进行网格划分得到模态分析的计算模型，节点Nodes 64 001个，Elemems 33 682，如图2所不。网格化模型边界条件设置:对膜片联轴器一侧螺栓孔实施固定约束，对两轴孔进行无摩擦约束。
3.3 联轴器模态分析
利用ANSYS WORKBENCH软件Modal工程中Solve模块，仿真解出整体和中间连接体网格化模型的相关数据可以以看出膜片联轴器隐藏部分元件后得到的中间连接体模态分析结果。
膜片联轴器的第一阶模态固有频率为263 Hz，随着阶数和频率的逐渐增大，联轴器的中间体整体振型变化明显，膜片联轴器受第一阶频率影响较大，高阶频率影响较小。从膜片联轴器的许用转动速度10 000 r/min可以求得系统的转动频率166.67 Hz，山振动理论可知系统频率远离低阶模态固有频率为263 Hz系统是安全的。
4 结语
在Pro/E造型环境中完成了夹板衬套式联轴器各部件造型设计并完成装配，通过ANSYS WORKBENCH模态分析工程完成了联轴器及其关键部件的网格划分，并进行了模态仿真求解，获得了结构的频率及相关振型数据。分析仿真数据可知:联轴器和膜片组受到低阶模态频率影响较大，结合结构共振理论和理论计算的膜片联轴器转频，组成联轴器的关键元件都与共振频率相差较大，系统不产生共振现象。
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