大型压铸设备合模机构的固有特性分析

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lr程实际中，由于大型复杂结构的自由度多，所以模态分析时方程的阶数高，计算量大，对整个结构进行模态分析难以实现。

随着计算机技术的高速发展 .虽然可直接用有限元法对大型复杂机械系统进行分析而毋需采用动态子结构法，但这就对计算机硬件有了更高的要求且计算时间也会更长，同时耗费技术人员更多的时白和精力。固定界面模态综合法作为动态子结构方法的-种，拥有 自身的优越性，其思想是把-个系统分为-系列子结构，将每个子结构的界面全部固定求解低阶模态而后释放界面自由度获得约束模态，然后通过模态综合得到整个系统的模态l2I。这种方法在航空、航天和汽车等行业已经得到了广泛的应用。在 2O世纪60年代初 Hurty首先提出了固定界面模态综合法，随后Craig和Bampton改进了此方法。ADAMS的柔性体理论是基于修IF的 Craig-Bampton方法，其模态分为固定界面主模态和界面约束模态，-般通过两条途径得到，其-是进-步缩减主模态数，其二是缩减界面自由度数 ，利用 Pro/Engineer、ANSYS、ADAMS等软件，建立 2500t压铸机合模机构虚拟样机模型，运用固定界面模态综合法，计算整个系统的模态，了解其动态特性，具体流程，如图 1所示。

模态中性E件(MNF)ADAMS1 竺H二 兰l图 l ADAMS模态分析流程Fig.1 ADAMS Modal Analysis Process2固定界面模态综合法将整个结构分割成-系列子结构，按界面 自由度与非界i面自由度的分块形式 ，子结构的无阻尼振动方程为： )来稿日期：2012-07-03基金项目：粤港关键领域重点突破项目(2008A011600002)；广州市科技计划项目(12A144041579)作者简介：周新建，(1963-)，男，湖南人，博士，教授，主要研究方向：机械制造及其 自动化第5期 周新建等：大型压铸设备合模机构的固有特性分析 83式中： -界面力，系统 自由振动时，非界面力为 0。

对于同定界面，有 嘶0，由式(1)可得到子结构 自由振动方m ai0 (2)解得系统正则化模态 ，由模态的正交性得：： ，，rl，2， ，n； ki A， ，rl，2， ，n令 ( .咖 )则 [ ]为子结构的主模态集。主模态集通常是不完备的，即将高阶模态截断的低阶模态集。

考虑子结构的静位移，由式 ，有静力方程： ai-k.～k (4)令 [ ][ ；。 ]为子结构的约束模态集。约束模态相当于给出某界面自由度为单位位移，而其他界面自由度为零时所形成的静模态。约束模态的数目等于子结构的结构界面自由度的模态矩阵为 (机 )，做第-次坐标变换得：. ㈦ 式中：p -对应的主模态坐标； -对应的约束模态坐标。

由上式可以得到pjaj，即约束模态坐标就是界面物理坐标。

利用坐标变换式(6)将子结构运动方程式变换到模态坐标P上，鄙 (6)： 而，： (m m )% (m %)- ，kik kjoj，三 ㈩q，(q qja)，g (q )考虑子结构的风4性连接，位移协调方程为 ，即Pja ，r 、7qq，a q qf)那么进行第二次坐标变换得：(8)qqqmq，8，0 O0 0 ，0，O0 0 0g或p柏 (9)则系统的无阻尼 自由振动方程为：Kq0 (10)其中，朋 0 ； m0 m牡A m ： Bk d 0 ； 00 ； 00 0 k KJB式的右端有00f 0 ： 0 0 (1)I j式中： o-满足界面上力的平衡条件。这样在界面上就既满足位移的协调条件又满足力的平衡条件，因此固定界面法是双协调的，保证了问题的精度。

解式(1 1)就可得到系统的同有频率和在模态坐标下振型，再通过两次坐标变换返回到物理坐标上，得到系统在物理坐标下的固有频率和振型 。

3合模机构虚拟样机的创建利用Pro/Engineer建立合模机构的实体模型，再利用有限元软件 ANSYS将各零部件离散成细小的网格并进行模态计算，然后将计算的模态保存为模态中性文件，以此完成对各子结构的模态计算。在利用 ANSYS导出模态中性文件(MNF)时，特别要注意外联点的设置，因为外联点是柔性体在ADAMS中与模型其他元件连接的点，通过外联点可以创建运动副或载荷的受力点。外联点必须有 6个自由度，每个自由度对应-个约束模态。外联点数目越多，计算量会越大，所以要适当的选择外联点数 目。MNF文件中零件的模态阶数：所计算 的模态阶数外联点数×6。利用ANSYS导出MNF文件时每个零件所计算的模态阶数为 15阶，MNF文件包含的模态集包括固定界面下柔性体(子结构)的主模态集和约束模态集，这和单独计算柔性体的模态是有区别的，区别在于不同的边界条件。主模态集是在将柔性体的界面点的自由度全部约束，求得-组截断模态组(在选择的频率范围内的模态，以减少问题规模)。约束模态集是依次使某-个界面坐标为单位位移，而其它的界面坐标均为零(即只释放界面点上-个 自由度，并给这个 自由度施加-个单位位移)时的柔性体的(子结构)的静态位移响应。

MNF文件导人ADAMS之后，关闭其中的刚体模态，把各子0 0 ，O ， O 0 O ， ， 0 O 卢 No.5Mav.201 3 机械设计与制造 87照对比，结果如图5所示，整个受热面温度场分布更加均匀。

4实验研究实验加热平台使用四根红外加热管 ，根据初步实验，确定其功率均为 IO00W，其中S组有两根，长度是 650mm，L组有两根，长度是 1 1 50mm。在考虑辐射力的情况下，全功率点亮加热管，可近似的认为 组的辐射力大约是 S组辐射力的0.5倍 ，即在(1)式中，其他参数不改变的情况下，组的角系数应为 s组的0.5倍。在加热试验平台上，按照图6中的关键位置取点，在改变s组与L组的垂直高度下 ，使用型号为 SM520的手持式红外测温仪对关键点进行实际的温度检测，测温时，按照-定顺序先记录-遍 ，再逆顺序记录-遍，取平均值，为-组数据 ，不同高度下记录三组数据，然后与ANSYS有限元模拟结果比较，实际温度场分布与模拟结果的基本吻合。

l 2 i 3 4 5 - -i--- l0 i 9 l 8l 7 i 6- - ～ - I- ～ J - - b- I1 l 12 l 13 i l4 l 15图6测温点分布图Fig.6 Distribution of Temperature Measuring Point经过计算与实际测温，寻找出最佳温度场分布结果。所搭建的实验平 台中 ，当组距离受热面 400mm，S组距离受热面500mm时，受热面温度最高处为 73.1。，最低处为 66.3。，相差6.8。。与ANSYS有限元模拟结果-致，如图7所示。

(b)图7最佳温度分布Fig.7 Optimum Distribution of Preheating Temperature Field5结论(1)对于矩形大尺寸受热面而言，不等高加热管相对于传统的等高度加热管受热面温度场分布的均匀性更好；改变加热管组的加热功率及对受热面边界进行恒温保温，也可有效地改善温度场的分布。(2)在受热面为(1 100x600)mm，长管组安装高度为400mm，短管组安装高度为 500mm时，受热面温度场分别更均匀，即整个受热面区域温差不超过 8。，满足了预热要求。