基于动态特性的横梁结构优化设计
                                       邝泳聪1，洪海生1，梁经伦2 ，李家裕1
                                  (1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州〓510640）
                                   （2.东莞理工学院机械工程学院，广东 东莞〓523808)
摘要：针对某异型插件机高速高加速度的运行条件，提出一种基于横梁动态性能的优化设计方法。从截面形状、质量分布和加强筋布置的角度出发，考虑横梁本体的受力情况、结构特性和性能特点，设计了相应的横梁结构模型。借助ANSYS有限元软件和ADAMS多体动力学软件,对不同横梁模型进行仿真、模态分析和刚柔耦合动力学分析。采用横梁的固有频率和振动时域曲线的最大变形量作为指标来评价横梁动态特性。通过优化横梁结构，减轻横梁质量和改善其动态特性，从而提高异型插件机的插件效率和插件精度。
关键词：异型插件机；横梁；动态性能；刚柔耦合动力学分析
中图分类号：TP391.9〓〓〓文献标识码：A〓〓〓文章编号：2095-509X(2018)01-0035-05

 面向异型元件的异型插件机，国外的研发始于20世纪80年代，真正在国内推广是2010年左右。异型电子元器件的质量和体积都较大，在高速来回运动状态下要实现高精度准确插件，横梁的动刚度尤为关键。不同的横梁结构决定了横梁不同的质量、抗弯曲强度、固有频率和振动幅值，横梁在设计时必须避开可能的共振频率。
在相关研究方面，张森等对4种常见截面形状的龙门式加工中心横梁进行对比，分别从静态特性和动态特性等角度进行了分析。姜涛等通过刚柔耦合动力学分析方法，对横梁的腹板孔形状进行优化，以贴装头的时域振动曲线和加速度曲线的变化情况评价横梁结构性能。孙继斌等对贴片机横梁的内外部结构参数进行对比分析，比较横梁的前三阶固有频率。王艳青等［4］对联动加工中心横梁进行静力学分析，通过设计横梁筋板结构，对比设计最优结构。关英俊等［5］对龙门加工中心横梁的加强筋进行增强，通过模态分析的固有频率比较，从而改进横梁设计。周德繁等对龙门镗铣床横梁进行静力学分析，基于分析结果对横梁尺寸和结构进行了优化。
本文的优化对象为某型号异型插件机横梁，借助ANSYS有限元软件和ADAMS多体动力学软件,以横梁固有频率和振动时域曲线的振幅来评价横梁的动态特性，从而优化横梁结构、减轻横梁质量和改善其动态特性。

1〓动态特性分析
1.1〓有限元模态分析
结构的固有频率直接影响到系统的动态性能。结合实验模态测试，对自由状态下的横梁进行锤击法模态测试实验，从而验证有限元模态分析的可靠性。横梁的自身动态性能的优化是研究目标，在约束状态下，通过对不同截面横梁的有限元模态分析，比较不同模态频率值，从而不断优化横梁的动态性能。

1.1.1〓结构固有频率和主振型
无阻尼自由振动的动力学基本方程为：

M〖AKδ¨〗〖WTBX〗(t)+〖WTHX〗Kδ〖WTBX〗(t)=〖STHZ〗0
式中：〖WTHX〗M为质量矩阵；K为刚度矩阵；δ〖WTBX〗(t)〖WTBZ〗为时间位移函数矩阵。
把自由振动分解为一系列简谐振动的叠加，将简谐振动方程代入式（1）中，则无阻尼自由振动方程为：
 〖WTHX〗
(K-〖WTBX〗ω2〖WTHX〗M)〖WTHX〗δ0=〖STHZ〗0〖STBZ〗
〖JY〗(2)〖WTBZ〗

〖CM(21*2〗式中：〖WTBX〗ω为对应阶数的固有频率；〖WTHX〗δ0〖WTBZ〗为相对应时刻。。。。。。

基金项目：机械系统与振动国家重点实验室开放课题（MSV-2013-11）；广东省自然科学基金资助项目（2015A030310415）；东莞市工业攻关（数控一代）科技计划项目（2015222119）〖ZK)〗
作者简介：邝泳聪（1970—），男，广东台山人，华南理工大学副教授，博士，主要研究方向为精密制造装备。


（文章来源《机械设计与制造工程》杂志如需详细资料请联系江苏机械门户网客服QQ:2980918915,电话025-83726289）

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