振動輸送機是利用激振器使料槽振動，從而使槽內物料沿一定方向滑行或拋移的連續輸送機械，振動輸送機的軸承座作為動力傳動支承部件，要求必須具備良好的力學性能和經濟制造工藝性。振動輸送機軸承座種類繁多，結構復雜，在使用過程中對強度和抗振性的要求很高，設計人員往往難以進行精確的設計和分析，傳統的二維設計方法存在設計周期長、修改不便和試制樣機成本高的缺點。為了解決這些問題，筆者嘗試著運用Pro/E軟件的CAD強大功能對我廠一種振動輸送機的軸承座進行參數化設計，并結合ANSYS Workbench軟件的CAE功能展開有限元分析，以此來檢驗其結構的合理性和可行性，為振動輸送機軸承座的設計提供理論依據。
1、CAD/CAE集成仿真技術
隨著仿真技術的蓬勃發展，以三維實體建模技術為核心的CAD軟件、以虛擬樣機技術和有限元技術為核心的CAE軟件日益成熟，已廣泛應用于機械產品的設計。兩種軟件的發展各有側重，CAD軟件側重三維實體設計而分析能力較弱，CAE軟件工程分析能力強大而建模能力弱，這些特點在一定程度上影響了軟件功能的充分發揮。
近年來，借助CAD軟件和CAE軟件之間良好的無縫連接功能發展了CAD/CAE集成仿真技術，充分發揮軟件各自的優勢功能，協同仿真的作用愈加突出。圖1所示為本文所建立的振動輸送機軸承座CAD/CAE集成仿真技術路線，該方法通過工程設計技術與建模、仿真技術和虛擬現實及可視化技術的集成，能將設計過程、分析過程及分析結果等資源數據存儲于振動輸送機軸承座數據管理庫中，實現對軸承座相關的數據、過程和資源一體化的管理，為后期的設計及分析提供必要的數據資源支持；同時還有助于企業通過建�？臻g和仿真空間，建立不同的概念模型，提取仿真模型的表現，并觀察仿真計算的結果，實現對振動輸送機軸承座模型快速、有效的改進，及時進行優化設計。
2、振動輸送機軸承座有限元模型的建立
振動輸送機軸承座是一種系列化的產品，在三維幾何模型設計過程中，采用參數化建模，模型具有可變性、可重用性，能進行并行設計，可以在遵循原設計意圖的前提下方便地改動模型，生成系列產品，實現模塊化設計，提高設計效率。基于這種參數化設計思想，并結合Pro/E軟件強大的建模功能建立了振動輸送機軸承座的動態數字模型，如圖2所示。另外還可利用Pro/E軟件的渲染功能對振動輸送機軸承座模型進行色彩、材質、紋理和光照處理，增強仿真模型的真實感。
Pro/E軟件與ANSYS Workbench軟件之間具有良好的無縫連接特性，可以把Pro/E所建的模型直接導人ANSYS Workbench進行有限元分析。根據設計要求，振動輸送機軸承座采用20Cr制造，材料為各向同性、介質均勻。由于振動輸送機軸承座形狀較為復雜，網格采用ANSYS Workbench中的智能分網方法( Smart, Size)，劃分網格后振動輸送機軸承座有限元模型的節點數力4735，單元數為2386，網格生成如圖3所示，約束形式為對底座施加兩個螺栓固定約束。完成以上設置后即可模擬實際工作狀況，按照本文所擬定的技術路線對振動輸送機軸承座進行CAE分析，評價仿真結果，得出相關分析結論。
3、振動輸送機軸承座的靜力學有限元分析
振動輸送機軸承座在實際工作狀態下，受力情況比較復雜，本文采用ANSYS Workbench軟件進行靜力學分析時把載荷簡化成軸向力為3000N和徑向力為4000N，仿真求解完成后振動輸送機軸承座的應力云圖和變形云圖分別如圖4、圖5所示。
從圖4可以看出，振動輸送機軸承座的最大應力為187. 89MPa，小于許用應力（許用應力為270MPa），滿足強度要求，在實際工況下不會發生塑性變形，并且最大應力發生在振動輸送機軸承座結構的拐角處，這是因為這些區域容易發生應力集中現象，為了避免這種情況對振動輸送機軸承座造成結構的破壞，本文建議適當增加拐角區域過渡圓角的半徑，并進行調質處理，最大程度地減小殘余應力。從圖5所示可以看出，振動輸送機軸承座的整體變形比較均勻，最大變形為0.163 mm，滿足靜剛度要求（靜剛度要求為最大變形不允許超過0.2mm）。因此，該振動輸送機軸承座的結構設計較為合理，具有良好的靜力學特性。
4、振動輸送機軸承座的模態有限元分析
由于在實際工況下振動輸送機軸承座承受交變載荷，也可能由于外界的激勵形成振動，導致結構內部出現較大的動態應力，造成振動輸送機軸承座的破壞，影響傳動的精度和穩定性，因此模態分析是必不可少的一部分，為了提高求解的精度和效率，本文將對振動輸送機軸承座進行有限元模態仿真研究。
模態分析主要用于確定設計中的結構或機器部件的振動特性——固有頻率和振型。在結構的動態分析中，各階模態所具有的權重因子大小隨著該模態頻率的增大而減小，即低階模態特性基本決定了振動輸送機軸承座的動態性能。在此只研究振動輸送機軸承座的前四階固有頻率和振型，本文運用ANSYSWorkbench軟件模態分析中的子空間迭代法，在無阻厄、自由振動這兩種假設情況下，進行固有頻率和振型的有限元求解，結果如表1和圖6所示。
表1振動輸送機軸承座前四階固有頻率
|
階數 |
固有頻率/HZ |
振型 |
|
1 |
1226.4 |
前后振動 |
|
2 |
3398.5 |
左右振動 |
|
3 |
3826.5 |
前后振動和左右振動 |
|
4 |
6258.5 |
向前凸振 |
從圖6所示的振型圖中可以看出，振動輸送機軸承座的振型幅值不大，高階頻率的激勵對振動輸送機軸承座的振動影響也不大，而且整體動態變形比較均勻，說明該振動輸送，機軸承座的整體動剛度和質量分布較為均勻，結構設計有利于振動輸送機軸承座的動力學性能。
5結語
本文通過利用CAD軟件Pro/E的參數化設計功能建立了一種振動輸送機軸承座的三維幾何模型，并運用CAE軟件ANSYS Workbench進行有限元分析，證明了振動輸送機軸承座結構設計的合理性。而且模態分析的結果表明，振動輸送機軸承座動剛度較為均勻，具有良好的動力學特性。本文的研究表明，對振動輸送機軸承座進行CAD/CAE集成仿真分析，可以減少試驗次數和試制樣機造成的不必要浪費，縮短設計周期，節省設計成本，提高產品的市場競爭力。
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