基于SolidWorks的食品物料螺旋输送机螺旋体的模态分析

螺旋输送机是一种连续输送机械，结构简单，密封性能好，便于装料和卸料，操作方便，在粮食与饲料行业获得了广泛的应用。由螺旋芯轴和螺旋叶片构成的螺旋体是螺旋输送机设计与制造的关键部件，设计难度较大。螺旋体在工作时处于旋转状态，如果设计不当，当其固有频率与其工作频率相等或接近时，则可能发生共振，将严重影响整机的工作性能。
传统设计方法是通过经验公式得到螺旋体的有关参数，往往裕度较大，与实际工况存在一定差别。应用SolidWorks及其内置的Simulation模块对一款新设计的螺旋体进行有限元模态分析，预测其动态特性，防止共振的发生，为螺旋体的结构设计提供理论依据。
SolidWorks软件的特点
Solidworks是法国达索公司针对CAD中端主流市场的主打品牌，与其他常见的主流CAD软件相比，主要优点有：1.基于Window平台开发，拖放、点击、复制剪切粘贴等命令同样适用于Solidworks操作界面。2. 强大的参数化建模功能使得用户可以輕松高效的完成草图、三维零件、装配体以及工程图的创建和修改。3. Solidworks内置的Simulation模块，可以直接对其生成的零件和装配体进行静态、热传导、频率、优化和疲劳分析等有限元分析，真正做到了无缝集成，避免了复杂模型数据转换而容易出现特征丢失的问题。
螺旋体有限元模型的建立和计算
首先根据设计参数建立螺旋体的三维几何实体模型，并做适当简化，以便于后期的处理和计算。然后进入Simulation模块，选择分析类型为Frequency，之后依次设置材质、约束、网格划分等参数。材质选用AISI304不锈钢，密度为8000Kg·m-3，弹性模量为190GPa，泊松比为0.29。螺旋体在实际工况下，由两端轴承支撑，故在其两端轴承处均施加轴承支撑约束，另外在动力输入侧端面施加固定约束，以限制转动自由度。网格的定义和划分参数均采用默认设置。通过以上步骤处理，得到加上约束并划分网格的螺旋体限元网格模型。
对该螺旋体有限元模型的求解，一般不需要求出所有的固有频率和振型，由于低阶模态对振动系统的影响较大，因此本文仅计算了前4阶模态。得到螺旋体前4阶固有频率和振型特性如表1所示，通过单位换算进一步得到临界转速。第一、三阶振型图如图1所示。
本文通过有限元分析得到了螺旋体前4阶固有频率和振型。根据计算结果，螺旋体的1阶固有频率为30.658Hz，对应的临界转速为1839.5r·min-1，大大高于其设计工作转速为140r·min-1，可知螺旋体的刚性较好，该方案满足设计要求。