基于ANSYS的汽车水泵齿形轮有限元模态分析.pdf

5 0机械设计与制造M a c h i n e r yD e s i g n&M a n u f a c t u r e第9 期2 0 0 9 年9 月文章编号：1 0 0 1 3 9 9 7(2 0 0 9)0 9 0 0 5 0 0 2基于A N S Y S 的汽车水泵齿形轮有限元模态分析周喜格李凌均王昆(郑州大学，郑州4 5 0 0 0 1)F i n i t ee l e m e n tm o d a l i t ya n a l y s i so fa u t o m o b i l ep u m pg e a rb a s e do nA N S Y SZ H O UX i _ g e，U“n g-j u n，W A N GK u n(Z h e n g z h o uU n i v e r s i t y，Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 1，C h i n a)：I：【摘要】为了研究齿形轮的动态特性，对汽车水泵结构进行优化设计，结合有限元分析软件A N 一；S Y S 的周期对称分析功能对汽车水泵齿形轮进行了模态分析。求出其(0 5)节径前3 阶固有频率及相应；主振型，为结构的动态优化设计提供了可靠的理论基础。；：关键词：汽车水泵齿形轮；模态分析；有限元：【A b s t r a c t】I no r d e r 幻r e s e a r c h h ed y n a m i c a lc h a r a c t e r i s i co f g 芎甜a n do p t i m i z et h es t r w t u r e,m o d a l i 一；t ya n a l y s i si sd o n eO na r ta u t o m o b i l ep 配m pg e a r 叫i t h h e f t n i t ee 如m e r i ts 咖a r eA N S Y S,w h i c hh a s。c y c l i c 一；s y m m e t r ya n a l y s i s f u n c t i o n 死e 如r t ht h r e ei n h e r e n t f r e q u e n c i e so f 彳e r ot o f i v en o d a l-d i a m e t e ra n dt h e i rr e l e 一；v a n tm o d e，w h i c ha r et h er e l i a b l et h e o r e t i c f o u n d a t i o no f t h ed y m 矶i co p t i m i z a t i o nd e s i 舶，a l ec a l c u l a t e d；K e yw o r d s：A u t o m o b i l ep u m pg e a r；M o d a l i t ya n a l y s i s；F i n i t ee l e m e n t；中图分类号：T H l 2。T H l1 3 文献标识码：A1 引-f f，Y，：)-垂(”，z)(2)汽车冷却水泵靠同步齿形带传动提供动力实现运转。与传统式中：中(菇，y，z)位移矢量的振幅，它定义了位移矢量 u 的空的带传动、链传动、齿轮传动相比，同步齿形带传动中，同步带的间分布；工作面有齿，带轮的轮缘表I 面也制有相应的齿槽，依靠带与带轮甜厂一简谐运动的角频率。之问的啮合来传递运动和动力，无滑动，能保证恒定的传动比，预将式(2)代入式(1)后，得到下列与 中 和n 有关的方程：紧力小。由于采用齿形结构，同步齿形带传动效率和准确性可高 K 一魄M t 中 e x p(洳)2 0(3)J 2 蔓9 8，使用方便，用途广泛，集带、链传动的优点于一体。故在机式(3)在任何时刻均成立，故去除含t 的项，得到：械、仪器仪表、化工、生物医疗器械等方面有广泛的应用前景”。现 j-埘。2 肘 中 一0(4)在闷步齿形带传动愈来愈多地应用于传动距离大，传动精度高以式(4)为典型的实特征值问题，中 有非零解的条件是其系及被驱动的部件具有一定质量的场合，此时传动系统的刚度集动数行列式的值为零，即：态特陛能成为保证系统精度与灵敏性的关键。因此，除考虑失效I K-A M I=0(5)与结构以外，还必须对同步齿形带传动进行动态性能设计计算硒。其中，A 砘L 2。式(5)左边为A 多项式，可以解出组离散根A 扛运用大型通用有限元分析软件A N S Y S 对某汽车冷却水泵的1，2，。n)，将式(5)代回(4)式可得对应的矢量 中t(i：1，2，齿形轮进行了模态分析，计算出其固有频率和振型，为结构的动n)，使得下式成立：态优化设计提供了可靠的理论依据。磊，-A；肘 哦=0(6)2 有限元模态分析理论式中：A；结构系统的第个特征值，对应的蚍即是结构的第阶固对于一般多自由度的结构系统而言，任何运动都可以由其自有频率；也 一对应的第i 个特征矢量，即对应c o,的振型。由振动的模态来合成。有限元的模态分析就是建立模态模型并进3 建立实体模型行数值分析的过程。在A N S Y S 中可以利用结构的周期对称形，在建模和求解时，因结构的阻尼对其模态频率及振型的影响很小，可以忽略，只建立局部模型并对其分析，在后处理中再进行扩展也可得到整故模态分析的实质就是求解具有有限个自由度的无阻尼及无外个结构的结果，这样可以降低分析的规模，节省计算费用。载荷状态下的运动方程的模态矢量，系统的无阻尼自由振动方程根据齿形轮的周期对称的结构特点，建立其局部模型，最后的矩阵表达式为：靠A N S Y S 的后处理功能得到整体结果。由于A N S Y S 软件本身 M 三)“K u I=t o(1)的三位建模能力比较弱，加上该齿形轮结构比较复杂，A N S Y S 很对线性结构系统，式(1)中 M 、K 均为实数对称矩阵，方程难很好的完成建模工作，故本文采用从P R O E 中导入的方法成具有下列简谐运动形式的解，其形式为：功地建立了齿形轮的实体模型，如图1 所示。来稿H 期：2 0 0 8 1 1 1 0 基金项目：河南省自然科学基金项目(0 6 1 1 0 2 2 4 0 0)万方数据在装卸搬运时有其特点及方法:物流装卸搬运的概念：物流装卸搬运是指在一定的区域内(通常指某一个物流结点，如车站、码头、仓库等，以改变物品的存放状态和位置为主要内容的活动。它是伴随输送和保管而产生的物流活动，是对运输、保管、包装、流通加工、配送等物流活动进行衔接的中间环节。在整个物流活动中，如果强调存放状态的改变时，一般用“装卸”一词表示；如果强调空间位置改变时，常用“搬运”一词表示。物流的各环节和同一环节不同活动之间，都必须进行装卸搬运作业。所以杭杭州州搬家公司搬家公司就是来完成其作业的。正是装卸搬运活动把物流运动的各个阶段联结起来，成为连续的流动过程。http:/ 期周喜格等：基于A N S Y S 的汽车水泵齿形轮有限元模态分析5 1图1 齿形轮实体模型4 有限元模型4 1 周期对称选项设定要进行周期对称分析，需要生成周期对称边界条件。采用C Y S L I C 宏自动生成，即选取合适的面设置高低角度组件，然后完成自定义周期对称扇区的设置，斟而生成同期对称结构的对称边界。4 2 单元的选取因为有限元法的本质就是将实体离散化并加以分析，故中间节点越多，划分精度越高，A N S Y S 得到的结果就越准确。选用6 面体单元S o l i d 9 5，该单元具有2 0 个节点，每个节点具有3 个沿着髫、y o 方向平移的自由度，可用于分析塑性、蠕变、应力强化、大变形和大应变等问题。S o l i d 9 5 是一种空间实体单元，可以用于不规则形状模型并不影响其计算精度，很适应于多弯曲边界模型。4 3 网格划分由于齿形轮形状比较复杂，加上所选S o l i d 9 5 单元具有2 0 个节点精度比较高，采用自由网格化命令的三级精度对实体模型进行网格划分，故不会影响分析精度。生成有限元模型，如图2 所示。图2 齿形轮有限兀模型模型最终划分为3 2 8 7 6 个单元，共有5 1 5 5 2 个节点。齿形轮材料为粉末冶金，密度为6 7 e-9 t h n m 3，弹性模量为1 9 e 5 M P a，泊松比为0 2 8。5 加载约束并求解对齿形轮进行模态分析的目的是求出齿形轮各阶固有频率及其对应主振型，因此不需对模型加载，只需对其进行自由度约束1 4 t，根据齿形轮的工作条件，齿形轮和轴之间是过盈配合，故对齿轮内孔节点沿3 个坐标方向的平动位移进行全约束。A N S Y S 的模态分析中，模态提取的方法很多，由于分块兰索斯法具有求解精度高、计算速度快等优点，并且适合对称特征值求解问题，所以对齿形轮的模态分析采用兰索斯法。由于水泵工作转速较低(O 一8 0 0 0)r m i n，低阶振型对结构的振动影响较大，对结构的动态特性起决定作用，故设定模态提取阶数为3，即求解齿形轮全部节径模态的前3 阶固有频率和对应的主振型。6 求解结果及说明求解完毕后，列出齿形轮的6 个节径的1 8 阶固有频率，如表1 所示。可以看出有些频率值相近，这是由于齿形轮结构和边界条件都是对称的，会出现主振型和频率相|u j 但相位不同的情况，故可只列出各节径第一阶振型图进行说明(图略)。表1 齿形轮各阶振动频率由振型图可看出：齿形轮的零节径主振型是圆周振动，轴向基本无振动，在端面上为圆周方向的振动；一节径主振型足一阶径向振动，齿形轮沿径向伸缩，端面出现椭圆形振型，且在与节径垂直的位置出现两处振动最大值；二节径主振型是二阶径向振动，齿形轮沿径向伸缩，端面出现椭圆形振型，且在与两个节径分别垂直的位置出现四处振动最大值；三节径主振型是三阶径向振动，齿形轮沿径向伸缩，端面出现三角形振型，且在与三个节径分别垂直的位置出现六处振动最大值；四节径主振型是四阶径向振动，齿形轮沿径向伸缩，端面出现四边形振型，且在与四个节径分别垂直的位置出现八处振动最大值；五节径主振型是五阶径向振动，齿形轮沿径向伸缩，端面出现五边形振型，且在与五个节径分别垂直的位置出现十处振动最大值。7 小结模态分析用于确定设计中的结构或及其部件的振动特性，它是承受动态载荷结构没计中的重要参数，为进一步改进结构设计和深入研究提供理论依据。对某汽车水泵齿形轮进行了模态分析，求出该齿形轮的(0 5)节径前3 阶固有频率及相应主振型，并对振型进行分析说明。该齿形轮的最低固有频率(8 4 1 4 6)H z 远远高于其工作频率(0 1 3 3 3)H z，故该齿形轮非常稳定，而这个差距势也说明了该齿形轮结构有足够大的优化设计空间，利用振副图，可直观地分析齿形轮的动态特性并发现薄弱环节，我们可以进一步对齿形轮进行优化设计使其固有频率适当降低，一方面保证齿形轮的动态特性和水泵系统的传动性能，另一方面使系统结构更加轻巧，运行更加经济。参考文献1 樊智敏同步齿形带传动应用研究的几个问题 J I 青岛化工学院学报，2 0 0 2，2 3(3)：5 9-6 12 梅安华，王菁蕙同步t 彤带传动动态设计研究 J 机械设计与研究，1 9 9 4(4)：5 6-5 7万方数据基于ANSYS的汽车水泵齿形轮有限元模态分析基于ANSYS的汽车水泵齿形轮有限元模态分析作者：周喜格，李凌均，王昆，ZHOU Xi-ge，LI Ling-jun，WANG Kun作者单位：郑州大学,郑州,450001刊名：机械设计与制造英文刊名：MACHINERY DESIGN&MANUFACTURE年，卷(期)：2009，(9)被引用次数：0次 参考文献(2条)参考文献(2条)1.樊智敏 同步齿形带传动应用研究的几个问题期刊论文-青岛化工学院学报(自然科学版)2002(03)2.梅安华.王菁蕙 同步齿形带传动动态设计研究 1994(04)本文链接：http:/