双质体振动给料机动态设计研究-第三节

 

本章 描述振动给料机结构动态设计概述

1.4 结构动态设计概述

  结构动态设计是指在设计阶段，根据结构工作的动力学环境，按照强度、功能等方面的要求对结构进行设计，以使它具有良好的动态特性，达到控制产品振动水平的目的。

1.4.1 结构动态设计方法

  振动机械等大型机械的动态设计方法中，最经常用的是结构模态分析技术用来分析结构的动态特性。模态分析技术经过近 30 年的发展，已经在航空、航天、造船、机械、建筑、交通运输、海洋平台和兵器几乎所有的工程领域中得到广泛应用。在技术先进的国家，实验模态分析技术早已进入工业化应用阶段。模态分析的应用可分为四类：在结构性能评价中的应用；在结构动态设计中的应用；在结构损伤诊断和状态监测中的应用；在声音控制中的应用。结构模态分析技术分为理论建模和实验建模，即计算模态分析和实验模态分析（EMA），其中计算模态分析利用的是有限元法（FEM）。

（1）有限元分析法
  有限元法是在变分法和差分法的基础上发展起来的一种数值方法，它得到了差分法对求解进行离散处理的启示，又继承了里兹法选择试探函数的合理方法。有限元分析是利用数值计算方法对系统进行理论研究的强大工具，除了对结构的形状复杂、载荷与支承也复杂的零部件进行应力分析外，结构动力学分析同样也可以借助于有限元法来进，是结构动态设计的一个重要组成部分。随着计算机的高速发展，它的应用也越来越广泛。经过多年的发展，已有很多新的有限元法用于动态设计中，比较著名的有计算力学中的样条有限元法、小波有限元和计算数学中的多元样条函数。

（2）模态分析法
  振动模态分析法是利用系统固有模态的正交性，以系统的各阶模态向量所租成的模态矩阵作为变量矩阵，对通常选取的物理坐标进行线性交换，使得振动系统以物理参数和物理坐标所描述的、互相耦合的运动方程组，能够变为一组彼此独立的方程（每个独立方程只含一个独立的模态坐标）。这个用模态参数和模态坐标所描述的各个独立方程，称为模态方程。模态分析实质上是一种坐标变换，它的目的是解除方程的耦合，便于求解。由于坐标变换是线性变换，因而系统在原有物理坐标系中，对于任意激励的响应，便可视为系统各阶模态的线性组合，故模态分析法又称为模态叠加法。而各阶模态在叠加中所占的比重或加权参数，则取定于各阶的模态坐标响应。一般来说，高阶模态比低阶模态的加权参数要小得多，通常只需要选取前 n 阶模态进行叠加，即可达到足够的精度。由此可知：模态分析的主要优点就在于，它能用较少的运动方程或自由度数，直观、简明而又相当精确地去反映一个比较复杂结构系统的动态特性，从而大大减少测量、分析及计算工作量。
  求解系统的各阶固有频率固有振型、模态质量或模态刚度及模态阻尼是进行模态分析的首要任务。对于大型复杂的结构，尽管实际选取很少几阶的模态，但只用理论建模来分析这些模态参数往往不是很精确，所以要结合实验模态来充分发挥模态分析方法的优越性。
  振动模态有实模态和复模态两大类，主要是按照模态向量是实数还是复数来划分的。由于模态分析法的模态模型是由复杂的结构简化而成的，所以在对系统进行系统识别即参数识别时系统的数学运算可以大大简化。如果要对设计的结构做出最佳描述，可以通过实验来测量实际的响应以寻求结构模型并调整预想的模型参数。

1.4.2 结构动态设计流程

图 1  结构动态设计流程图

结构动态设计的基本方法是有限元法和实验模态分析，结构动态设计的基本过程如下：
（1）初步设计；
（2）应用有限元分析对设计结果进行动态性能的校核与修改；
（3）实验模态分析；
（4）结构动力修改；
（5）结构优化设计；
（6）产品生产。
上述结构动态设计流程如图 1 所示。

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