高速直线电机实验台动态仿真分析

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 5.28MB 82 页 15积分

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摘要

近几十年来，在直线电机的研究中投入了大量的人力和物力，取得了众多成

绩。但和直线电机相配应用的机械机构，却一直没有得到足够的研究。本文就是

针对这一点，对直线电机实验台的机构部分进行深入研究。

直线电机的结构简单，运行可靠，性能良好，控制方便等特点使其受到了越

来越多的关注，也得到了越来越广泛的应用。如何确保直线电机实验台满足技术

标准，是现在必须解决的问题。实验台要承载 400 千克的拖架，拖架受到一个瞬

间水平冲击力的作用，冲击力产生的水平加速度是一个 g，速度达到 80 米/秒时受

力结束。也就是说，拖架受到瞬间冲击的时间为 0.163 秒。冲击力强，时间短暂，

但同时还要求刀架的振动偏移量不能太大，否则影响加工的精度和实验需求。

以Pro/ENGINEER 三维软件作为设计工具，创建实验台部件的几何模型，并

进行科学的简化，去除对实验台的机械性能无影响的结构部件。根据实际工况，

添加必要的边界条件，把实验台的几何模型转化为有限元模型进行分析，且使设

计与分析同步进行。直线电机瞬间给实验台以巨大的冲击，产生剧烈的振动。经

过初步设计的直线电机实验台，无法达到需要的技术要求，因此，必须对实验台

进行优化设计。

利用有限元知识，并结合 Pro/ENGINEER 软件的子模块--Pro/MECHANICA，

进行产品的优化设计。在整体模型的有限元分析结果上，通过深入细致的分析和

研究，对模型结构分为五大类进行优化设计。通过优化分析，提高了直线电机实

验台的刚度和强度，使其满足了直线电机在瞬间强冲击力作用下对其的机械性能

要求。动态仿真分析法在直线电机实验台的机械优化设计中的成功应用，为今后

在瞬间承受强冲击作用的机械结构的研究提供了很好的参考价值。

关键词：冲击实验台优化设计 Pro/MECHANICA

ABSTRACT

For tens of years, a mass of manpower and material resources have been plunged

into the research of linear motor, and great achievements have got. However, the

research of supporting mechanical structure haven’t received due attention. Therefore,

based on such kind of situation, this paper will focus on the research of linear motor

worktable's structure.

The linear motor is characterized by simple structure, reliable operation, high

performance and easy control; therefore, it has attracted increasing attention and

become extensively applied. Now the question must be faced is how to guarantee the

linear motor worktable meet the technical standard. The worktable must bear the weight

of 400kg moving-structure which will be pressed by an instant horizontal force, and the

force brings a horizontal acceleration whose value is g, the value of the acceleration is

zero when the speed is 80-meter per second. That is to say, the duration that the

moving-structure being loaded by the instant horizontal force is 0.163 second. Though

the wallop is giant and the duration is short, it must be guaranteed that the blade

adapter's vibrant offset is small; otherwise it will influence the manufacturing accuracy

and testing requirement.

The geometric model of the worktable's components could be built by using the three

dimensional software--Pro/ENGINEER as the design tool, and using scientific

simplification to remove the part which have no influence on the mechanical

performance of the worktable. According to the actual work condition, necessary

boundary conditions should be appended, and before the analysis, we need to turn the

worktable's geometric model into FEA model, and also we must make sure that the

design and analysis will carry out synchronously. The linear motor brings an instant and

giant shock to the worktable, and violent vibration comes into being. The initial

designing linear motor worktable can not meet the technological demand. Therefore, we

must research on the optimal design of the worktable.

Designers can carry out the optimal design of the product by using the knowledge of

FEA and Pro/MECHANICA-- one of the sub modules of Pro/ENGINEER. On the basis

of the FEA analyzing result of the whole model, and through meticulous and thorough

analysis and research, we can carry out the optimal design of the model structure in five

methods. Through optimal design, the stiffness and intensity of the linear motor

worktable will be enhanced, and the demand of the mechanical property when pressed

by an instant giant wallop would be also been met. The dynamic and emulation method

of analysis carry out a successful application in the mechanical optimal design of the

linear motor worktable, and this will provide valuable reference for the research on the

mechanical structure in the case of bearing instant and giant wallop.

Key Words: Shock, Worktable, Optimum Design, Pro/MECHANICA

摘要

ABSTRACT

第一章绪论.....................................................................................................................1

§1.1 课题的来源及研究意义 ...................................................................................... 1

§1.2 冲击与振动 .......................................................................................................... 1

§1.2.1 振动系统的分类.............................................................................................1

§1.2.2 振动形式的分类.............................................................................................2

§1.2.3 冲击.................................................................................................................3

§1.3 有限元简介 .......................................................................................................... 3

§1.3.1 有限元法的概况.............................................................................................3

§1.3.2 有限元法的特点.............................................................................................3

§1.3.3 Pro/ENGINEER 软件的简介.........................................................................4

§1.4 国内外研究现状及发展 ...................................................................................... 5

§1.5 论文的主要研究内容与方案 .............................................................................. 6

第二章振动与控制基础.................................................................................................9

§2.1 瞬态振动 ............................................................................................................... 9

§2.2 振动系统对冲击的响应 ....................................................................................... 9

§2.3 振动系统对任意激扰力的响应 ......................................................................... 12

§2.4 振动的控制 ........................................................................................................ 16

§2.4.1 消除振源......................................................................................................16

§2.4.2 隔离..............................................................................................................17

§2.4.3 减少响应......................................................................................................17

第三章 PRO/MECHANICA 的仿真解析特点 ............................................................ 19

§3.1 引言 ..................................................................................................................... 19

§3.2 有限元法的基本思路与计算步骤 ..................................................................... 19

§3.2.1 有限元法的基本思路...................................................................................19

§3.2.2 有限元法的计算步骤...................................................................................19

§3.3 分析软件 PRO/MECHANICA 的特点 .............................................................. 21

§3.4 PRO/MECHANICA 的两种分析模式 ............................................................... 22

§3.5 PRO/MECHANICA 的分析界面 ....................................................................... 22

§3.6 PRO/MECHANICA 中有限元分析法的操作流程 ........................................... 23

§3.7 在PRO/MECHANICA 中建立分析模型的步骤............................................. 24

§3.7.1 简化模型......................................................................................................24

§3.7.2 材料、约束和载荷的定义..........................................................................25

§3.7.3 理想化模型..................................................................................................26

§3.7.4 连接对..........................................................................................................27

§3.7.5 曲面区域和体积块区域..............................................................................27

第四章直线电机实验台的几何建模及装配...............................................................29

§4.1 引言 .................................................................................................................... 29

§4.2 PRO/E 参数式设计 .............................................................................................29

§4.2.1 Pro/E 参数式设计的特性 ............................................................................ 29

§4.2.2 创建工作目录..............................................................................................30

§4.2.3 单位选择......................................................................................................30

§4.2.4 模型精度......................................................................................................31

§4.3 直线电机实验台的几何建模与装配 ................................................................ 31

§4.3.1 直线电机实验台的底架..............................................................................31

§4.3.2 直线电机实验台的梯形滑块......................................................................32

§4.3.3 横梁与刀架..................................................................................................33

§4.3.4 直线电机实验台的整体装配......................................................................33

§4.4 干涉检查 ............................................................................................................ 34

第五章直线电机实验台的设计与有限元分析...........................................................35

§5.1 有限元模型的建立 ............................................................................................. 35

§5.1.1 模型的前处理..............................................................................................35

§5.1.2 定义材料......................................................................................................36

§5.1.3 定义约束......................................................................................................37

§5.1.4 定义载荷......................................................................................................37

§5.1.5 定义测量项目..............................................................................................37

§5.2 设计与分析同步 ................................................................................................ 39

§5.3 底架初步模型的设计与分析 ............................................................................ 40

§5.3.1 物理条件的设置..........................................................................................40

§5.3.2 网格划分......................................................................................................40

§5.3.3 模态分析......................................................................................................41

§5.3.4 结论..............................................................................................................41

§5.4 底架初步模型的二次分析 ................................................................................ 42

§5.4.1 底架结构模型的再建与分析......................................................................42

§5.4.2 结果分析......................................................................................................43

§5.5 底架结构的二次设计与分析 ............................................................................ 46

§5.5.1 底架结构的再设计......................................................................................46

§5.5.2 底架结构变化前后的一阶固有频率的对比..............................................46

§5.6 整体模型的分析 ................................................................................................ 47

§5.7 设计与分析同步的总结 .................................................................................... 48

第六章：整体模型的仿真优化.....................................................................................53

§6.1 引言 .................................................................................................................... 53

§6.2 整体模型的强化设计与分析 ............................................................................ 53

§6.2.1 底架结构的强化设计与分析......................................................................53

§6.2.2 刀架结构的完善..........................................................................................54

§6.2.3 约束的变化..................................................................................................55

§6.2.4 整体模型强化后的分析..............................................................................55

§6.3 整体模型的优化分析 ........................................................................................ 58

§6.3.1 引言..............................................................................................................58

§6.3.2 横梁的优化..................................................................................................59

§6.3.3 刀板的优化..................................................................................................60

§6.3.4 前板的优化..................................................................................................63

§6.3.5 三角板的优化..............................................................................................65

§6.3.6 梯形板的优化..............................................................................................66

§6.3.7 优化结果的归纳总结..................................................................................69

§6.3.8 优化结果......................................................................................................70

第七章：论文总结与展望.............................................................................................71

§7.1 归纳与结论 ........................................................................................................ 71

§7.2 展望 .................................................................................................................... 72

参考文献.........................................................................................................................73

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................77

致谢.................................................................................................................................78

第一章绪论

§1.1 课题的来源及研究意义

直线电机是一种新型驱动设备，有诸多优点，近年来得到日益广泛的应用。

设计分析的直线电机实验台要承受瞬间强大的水平冲击力，来满足教学和科研的

需要。为了保证加工的精度，要求刀头部分具有良好的刚度和强度，这就要求在

设计的过程中要对工作台的刚度、动态性能详加考虑。因此，在设计阶段，对产

品进行有限元的仿真分析是十分必要的，这是提高设计的可靠性，减少设计成本

和缩短试制时间的有效途径。

利用有限元仿真分析方法来解决各种工程技术问题是工程设计分析活动中不

可缺少的重要环节，也是计算机辅助设计领域的重要拓展方向之一。由于直线电

机实验台结构复杂，体积庞大，不易利用手工计算来进行静态变形和动态性能分

析，以及计算出其刚度变形以及如何改善其刚度特性。利用虚拟仿真技术，进行

精密的三维几何与物理建模，能够在设计阶段预测直线电机试验台的静态与动态

的刚度性能，提高其设计的质量和速度。

借助先进的科学技术指导生产，是现代的科学工作者必须具备的思维意识。

现在的竞争是全方位的竞争，我们必须保证在每一个环节上都要有科学、严谨的

态度。产品的开发时间、质量的保证、成本的控制以及相应的售后服务，任何一

个环节出问题，都有可能导致整个过程的功亏一篑，所以首先需要对直线电机实

验台进行了一系列的模态和动态的分析，验证设计构想，求解最优结构，达到理

论上的最佳设计。虚拟制造技术可以在真实产品制造前预测产品的功能和制造系

统状态，发现设计中可能出现的问题，做出预测性决策和下步实施方案，以达到

产品开发周期最短化，成本最小化，品质最优化和生产效率最高化，从而提高产

品的竞争力和适应市场的生命力，同时节约社会资源和推动科技进步。

§1.2 冲击与振动

§1.2.1 振动系统的分类

在静力分析中，我们假定作用在结构物上的是静力载荷，这种载荷的大小、

方向和作用点都不随时间而变化，加载过程非常缓慢，因而使结构的质量不产生

加速度，也就是不产生惯性力。静与动是相比较而言的，通常，若引起的加速度

高速直线电机实验台动态仿真分析

很小，其产生的惯性力与载荷值比较起来是极其微小可以忽略时，也可当作静力

载荷来处理。但在工程实际中，经常也会碰到另一类载荷，即动力载荷，以及结

构受动力载荷作用时所产生的振动现象。例如：打桩机锤击引起的地基振动，高

层建筑、电视塔等高柔结构受不规则风力作用所引起的来回运动，地震力作用引

起构筑物的强烈振动等。还有其他动力载荷如核爆炸对建筑物施加的冲击波，工

厂车间内的车床、电动机、汽轮发电机、锻锤等在工作时对厂房结构及基础产生

的作用力等。我们把这种随时间而变化的载荷，称为动力载荷，简称动载。动载

作用的基本特点是使结构的质量产生显著的加速度，因而使结构产生较大的惯性

力，并引起结构的振动。我们把物体在某一位置附近来回运动的现象称为振动。

这时，表示运动特征的某些物理量（例如位移、速度、加速度等）将时而增大，

时而减小地反复变化[1~2]。

参量的变化规律可用时间的确定函数描述的振动系统，称为定则系统（又称

确定性系统）。如果系统中的各个特性参量（质量、刚度、阻尼系数等）都不随时

间而变，即它们不是时间的显函数，就称此系统为常参数系统（定常系统）；反之，

则称为变参量系统（非定常系统）。常参量系统的运动用常系数微分方程描述。而

描述变参量系统需要用变系统微分方程。

若系统参量变化无常，无法用时间的确定函数描述，而只能用有关统计特

性描述，这种系统就称为随机系统。

一个质量不随运动参量（坐标、速度、加速度等）的变化而变化，且其弹性

力与阻尼力都可以简化为线性模型的振动系统称为线性系统。线性系统的运动用

线性微分方程描述。凡是不能简化为线性系统的振系都称为非线性系统[3]。

§1.2.2 振动形式的分类

一个系统受到激励，会呈现一定的响应。激励作为系统的输入，响应作为系

统的输出。系统的激励可分为两大类：定则激励和随机激励。

可用时间确定函数来描述的激励称为定则激励。脉冲激励、阶跃激励、协和

激励、周期激励都是典型的定则激励。一个定则系统受到激励时，响应也是定则。

这类振动形式称为定则振动。

随机激励则不能用时间的确定函数描述，但它们具有一定的统计规律性，可

用随机函数描述。即使是定则系统，在受到随机激励时，系统的响应也会是随机

的。这类振动形式称为随机振动。

此外，振动还可以按激励的控制方式分为四类：(1)自由振动：通常指弹性系

统在偏离平衡状态后，不再受到外界激励的情形下所产生的振动。(2)强迫振动：

第一章绪论

指弹性系统在受外界控制的激励作用下的振动。这种激励不会因振动被抑制而消

失。(3)自激振动：指弹性系统在受系统振动本身控制的激励作用下发生的振动。

一旦振动被抑制，激励也随之消失。(4)参激振动：指激励方式是通过周期的或随

机的改变系统的特性参量来实现的振动[3~5]。

§1.2.3 冲击

冲击是一种瞬态振动，激扰是非周期性的，例如脉冲的、阶跃的或瞬态振动

的形式，冲击代表着振动的突然和激烈的程度。冲击的重要特性是系统由于受到

冲击作用而引起的运动，不仅包括冲击激励的频率，还包括系统的固有频率。如

果冲击是短暂的，则系统的持续运动就是按自身的固有频率进行的自由振动[6~9]。

§1.3 有限元简介

§1.3.1 有限元法的概况

有限元法是一种求解数学物理问题的数值计算方法。它最初是为了处理固体

力学问题而出现的，采用一种离散化的思想，也就是单元格化思想。有限元法虽

然起源于结构理论，但近年来由于它的理论与公式逐步得到改进和推广，不仅在

结构理论本身范围内由静力分析发展到动力问题，稳定问题和波动问题，由线弹

性发展到非线弹性和塑性，而且该方法已经在连续体力学的一些场问题中得到应

用，例如热传导学，流体力学，电磁场领域中的问题。已是解决大型复杂结构或

多自由度体系等实际工程问题的一种有力的数值计算工具。

§1.3.2 有限元法的特点

在固体力学及其它连续体力学中，只有一些特殊类型的位移场和应力场才能

求得微分方程的解。多数复杂的实际结构得不到解。而有限元法对于完成这些复

杂结构的分析是一种十分有效的方法。有限元法是利用离散化将无限自由度的连

续体力学问题变为有限单元节点参数的计算，虽然它的解是近似的，但适当选择

单元的形状与大小，可使近似值达到满意的精度。

再者，由于引入边界条件的方法简单，边界条件不需要进入单个有限元的方

程，而是求得整个集合体的代数方程后再引进，所以对内部和边界上的单元都采

用相同的场变量函数，而且当边界条件改变时，场变量函数不需要改变，这对编

制通用化的程序带来莫大的简化。

有限元不仅适应于复杂的几何形状和边界条件，而且能处理各种复杂的材料

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摘要：

摘要近几十年来，在直线电机的研究中投入了大量的人力和物力，取得了众多成绩。但和直线电机相配应用的机械机构，却一直没有得到足够的研究。本文就是针对这一点，对直线电机实验台的机构部分进行深入研究。直线电机的结构简单，运行可靠，性能良好，控制方便等特点使其受到了越来越多的关注，也得到了越来越广泛的应用。如何确保直线电机实验台满足技术标准，是现在必须解决的问题。实验台要承载400千克的拖架，拖架受到一个瞬间水平冲击力的作用，冲击力产生的水平加速度是一个g，速度达到80米/秒时受力结束。也就是说，拖架受到瞬间冲击的时间为0.163秒。冲击力强，时间短暂，但同时还要求刀架的振动偏移量不能太大，否则影响加工...

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