髋关节试验机模态分析

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　　摘要：本文在ANSYS有限元分析环境下，对髋关节试验机的振动特性进行研究，分析其固有频率和振型。并根据模态分析的结果，给出试验机结构设计、安装和运行时的建议，保障了设备的刚度和稳定性。
　　关键词：振型;模态分析;固有频率
　　固有频率和主振型是振动系统的自然属性。为了使系统在工作中避开固有频率同时减小系统的激励，以达到消除噪音和过度振动的目的，在设计过程中，往往要对系统进行模态分析。[1]本文运用模态分析理论，采用有限元方法对髋关节试验机的振动特性进行研究，分析其固有频率和振型。
　　1机构描述
　　本论文所研究的髋关节试验机[2]（图1）由动平台、底板和四根支架组成。支架分别为外围的3根SPS支链及中间一根PS支链。
　　2模态分析
　　利用Solidworks建立试验机的实体模型，[3]并在Ansys中进行网格划分，使用面约束对底板底面进行约束施加零位移约束。
　　（1）将频率范围取为1～10000Hz。选用BlockLanczos方法进行求解。
　　（2）本试验机属于空间多自由度机构，因此，对其在初干扰下的自由振动的研究，主要围绕低阶振型展开。[4]为了提高效率，在此计算前6阶阵型。
　　（3）使用SOLVE求解器进行求解，得到结果（如下表）及阵型图（图2）。分析结果中阵型的大小不是系统在固有频率下的实际振动数值，而是振动量值的相对比值，仅代表了此固有频率下系统振动的传递情况。
　　3结果分析
　　（1）由图2可看出，第一阶和第二阶固有频率下，系统具有相似的振型。第一阶时，试验机仅沿着y方向摆动;第二阶时，试验机仅沿着x方向摆动;第三阶时，系统整体绕着z轴转动。在第四阶固有频率下，试验机外围的三根支架中有两根大幅度扭转，另一支架扭转幅度较小。第四、五、六阶固有频率下，系统具有相似的振型。
　　（2）由振型图可知，试验机的上支撑板和支架容易发生剧烈振动。考虑到这两个部位在整个试验机中相对较薄弱，在设计时，应对其做适当处理。如：选择高性能材料制作上支撑板和支架、加大這两个元件的厚度或者增加加强筋等。
　　（3）通过模态分析结果可知，试验机的振动形式主要为扭转和摆动。因此在工作过程中，应保证试验机具有足够的支撑稳定性，如增设平衡系统来防止试验机球铰链和动平台连接处的运动造成的设备扭转现象。从而防止机构出现运动不灵活或无法到达预设的运动空间等现象。
　　参考文献：
　　[1]刘金龙人工髋关节并联仿生试验机研究[D].中国矿业大学，2011.
　　[2]汤萍，程刚，顾伟，徐鹏.3SPS+1PS并联仿生试验机误差建模与仿真[J].机械传动，2012，36（07）：38-42.
　　[3]詹迪维.SolidWorks产品设计实例精解[M].北京：机械工业出版社，2009.
　　[4]张朝晖.ANSYS12.0结构分析工程应用实例解析[M].北京：机械工业出版社，2010.
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