【文章內(nèi)容簡介】 件隨運輸能力和結(jié)構(gòu)特點的不同而異 [3]。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 共 57 頁 5 圖 14 輸送鏈的布置方式 （ a）雙邊式；（ b）雙中式；（ c）中心單鏈；（ d）三鏈 機械振動與噪聲的分析方法和控制方法 （ 1）機械振動與噪聲分析方法 機械振動與噪聲分析是識別與控制振動源的重要環(huán)節(jié)。與其它工程應(yīng)用學(xué)科一樣，解決振動與噪聲問題的途徑或者說研究方法，不外乎理論分析和試驗研究兩個方面。隨著電子計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，振動與噪聲問題的數(shù)值計算可以解決規(guī)模很大 （自由度很高）的問題并可達到很高的精度。同時，由于電子測試儀器的發(fā)展和完善，振動與噪聲試驗已發(fā)展成為一種獨立的解決問題的手段。這兩者互為補充并相互促進，為解決復(fù)雜的振動與噪聲問題提供可有效手段。 在機械振動問題的理論分析中，一般將所研究的對象（如機器）稱為系統(tǒng)（ System） ,將外界對系統(tǒng)的作用或機器運動產(chǎn)生的力稱為激勵（ Excitation）或輸入（ Input） ,將機器在激勵作用下產(chǎn)生的動態(tài)行為稱為響應(yīng)（ Response）或輸出（ Output）。機械振動問題所涉及的內(nèi)容如圖 15 所示，振動分析就是確定激勵 系統(tǒng) 響應(yīng)三者間的相互聯(lián)系，根據(jù)其中二者去研究第三者。 中心單鏈?zhǔn)焦伟遢斔蜋C振動與噪聲的有限元分析 第 頁 共 57 頁 6 振動分析的一個首要問題是建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。表達系統(tǒng)力學(xué)特性的數(shù)學(xué)方程稱為系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。為了建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，要對系統(tǒng)進行簡化，忽略一些次要因素，而突出它的主要力學(xué)性能，然后根據(jù)力學(xué)原理建立描述系統(tǒng)力學(xué)特性的數(shù)學(xué)方程。建立數(shù)學(xué)模型是進行振動分析的關(guān)鍵性步驟，它既決定了振動分析的正確性和精度，又決定了振動分析的可行性和精簡程度。 圖 16 給出了機械工程振動分析的一般步驟。對于實際工程振動問題 ，首先要對機械結(jié)構(gòu)特點進行分析，抓住結(jié)構(gòu)的主要力學(xué)特性，形成待解決問題的物理模型。然后選擇適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系和坐標(biāo)，根據(jù)力學(xué)基本定律建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。其次，選擇微分方程的求解方法，有定量和定性方法，工程問題一般通過數(shù)值方法求近似解。最后，對結(jié)果進行分析，既要從理論上分析數(shù)值模擬的合理性，又要與試驗測試結(jié)果進行比較，只有二者的吻合程度滿足工程要求，振動問題分析才算告一段落，否則就要修改數(shù)學(xué)模型，甚至修改物理模型，檢查試驗工作的可信度和改善試驗技術(shù)，重新開始上述相關(guān)工作，找出問題的癥結(jié)，直至最后解決問題。 圖 15 機械振動系統(tǒng)分析框圖 振動系統(tǒng) 激勵 響應(yīng) 系 統(tǒng) 物理模型 試驗?zāi)Ｐ? 數(shù)學(xué)模型 動態(tài)行為分析 動態(tài)行為測試 比較 結(jié)束 參數(shù)調(diào)整 干擾 滿足要求 不滿足要求 圖 16 機械振動分析的一般程序 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 共 57 頁 7 （ 2）機械振動與噪聲控制方法 研究機械振動與噪聲問題的主要目的之一，就是采取有效手段控制其危害。以噪聲控制為例，噪聲問題劃分為聲源、路徑和接受者三個主要環(huán)節(jié)。聲源和噪聲傳遞的路徑可能有多個，接受者一般為人，也可以是生物、儀器、設(shè)備和建筑物等。機械噪聲問題所涉及的內(nèi)容如圖 17 所示，噪聲分析就是確定聲源 路徑 接受者三者間的相互關(guān)系，采取有效措施減小或控制噪聲危害，利用噪聲信號預(yù)測動力機組的安全運行狀況。 對機械噪聲的控制，最根本的方法是對噪聲源本身的控制。聲源種類不同，其控制方法也不同。對機械結(jié)構(gòu)噪聲源主要是控制機械的振動，包括機械振動本身控制和機械振動傳播控制（即固體聲傳播控制），前者是機械系統(tǒng)的設(shè)計問題，后者則是隔振措施的設(shè)計問題。對空氣動力性噪聲源要控制氣體振動的產(chǎn)生，防止氣體中壓力突變和渦流等。 為了控制聲源，在機械的技術(shù)設(shè)計階段中，應(yīng)該將噪聲作為重要的設(shè)計指標(biāo)，根據(jù)設(shè)計圖紙對噪聲做出預(yù)報，若不能到達預(yù)期的目標(biāo)，則進行修改，以實現(xiàn)機械的低噪聲設(shè)計。在低噪聲結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要對那些可能出現(xiàn)交變力的工 作方式、工作過程或零部件給予足夠重視。 控制噪聲傳播的途徑是噪聲控制的另一個環(huán)節(jié)。通過限制和改變噪聲的傳播途徑，使噪聲在傳播的過程中衰減，以減小對接受者的影響。控制聲音在室內(nèi)外、結(jié)構(gòu)內(nèi)和管道內(nèi)的傳播可以利用壁障、吸聲材料、剛性結(jié)構(gòu)的斷面突變、阻塞孔洞、消聲器、隔聲罩、封閉的隔聲間使噪聲局限在聲源附近等方法。 需要重點支出的是，噪聲控制的方法中最直接、最有效、最經(jīng)濟的措施就是降低聲源噪聲。因此，噪聲控制的首選措施是低噪聲設(shè)計 [4]。 噪聲與振動控制工程學(xué)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 我國的聲環(huán)境現(xiàn)狀隨著經(jīng)濟的 飛速發(fā)展，在工業(yè)化、城市化的進程中，由于對聲環(huán)境的建設(shè)處于零散、隨機的自發(fā)狀態(tài)，聲環(huán)境質(zhì)量還有不斷惡化的趨勢?？偟膩碚f，在數(shù)量上，噪聲源數(shù)量暴漲，包括流動噪聲源、動力噪聲源、工業(yè)噪聲源、建筑噪聲源、傳聲路徑 噪聲源 接受者 圖 17 機械噪聲控制框圖 中心單鏈?zhǔn)焦伟遢斔蜋C振動與噪聲的有限元分析 第 頁 共 57 頁 8生活噪聲源等等；在范圍上，幾乎覆蓋了社會生活的各個角落；在強度上，與人口的密集程度成正相關(guān)。究其原因，工業(yè)化促進城鎮(zhèn)化，經(jīng)濟全球化加速了城鎮(zhèn)化進程，工業(yè)化是因，城鎮(zhèn)化、全球化是果。我國的城鎮(zhèn)化從 1949 年的 %，增加到 1979 年的 18%，30 年增加 %，近 2 億人。從 1979 年到 2022 年的 25 年間，增 長到 %，增長了25%， 億城市人口發(fā)達國家城市化率 5560%，中國還可能增加 1217%，達到 89 億人。中國的農(nóng)民工不再當(dāng)候鳥，大量變成城市人口。由于電網(wǎng)電站的數(shù)量增加，高壓、超高壓、特高壓 … 能使人發(fā)瘋的低頻噪聲，在全國各類環(huán)境污染投訴中，噪聲污染投訴率高達 64%！噪聲引起的損傷以至于死亡，大幅增加！ 噪聲與振動控制（ NVC）是解決物質(zhì)運動相互關(guān)系的和諧與平衡，由此決定了其具有服務(wù)業(yè)的本質(zhì)。 NVC 工程學(xué)的兩大任務(wù)：一是根據(jù)人對物質(zhì)運動所傳遞出的聲動信息的主觀感受調(diào)節(jié)其平衡；二是根據(jù)物 質(zhì)運動所傳遞出的聲動信息而判斷物質(zhì)運動的客觀狀況并加以干預(yù)。 NVC 工程學(xué)有三個重要的發(fā)展趨勢。第一，技有界而用無疆。運動是物質(zhì)的存在形式。理論上，噪聲與振動控制可用于一切物體相互作用的場合?？茖W(xué)上的限制條件更加剛性，而噪聲控制工程的應(yīng)用范圍隨著經(jīng)濟發(fā)展領(lǐng)域的擴大而迅猛擴大。第二，守其有而用其無。質(zhì)能轉(zhuǎn)換的同一性和信息形式的多樣性，使得達到平衡目的的關(guān)鍵往往是各學(xué)科技術(shù)手段的平衡，而不在 NVC 技術(shù)本身，是對其它學(xué)科技術(shù)的正確綜合運用。第三，新材料、新方法、新評價。學(xué)科的綜合運用使得原有技術(shù)已經(jīng)不能完全滿足現(xiàn) 實的要求，需求呼喚技術(shù)創(chuàng)新，由此帶來新的評價方法。 噪聲與振動控制設(shè)備方面，發(fā)達國家憑借其先進技術(shù)和制造水平的優(yōu)勢，在環(huán)境監(jiān)測儀器領(lǐng)域取得了長足的進步。微電子技術(shù)、計算機技術(shù)在環(huán)境監(jiān)器中的廣泛應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)產(chǎn)品靜態(tài)、單機、單參數(shù)測試的狀況，使多機編組數(shù)據(jù)采集處理、處理過程控制及與管理系統(tǒng)連接實現(xiàn)了智能化監(jiān)視調(diào)控。一大批具有信息采集、數(shù)據(jù)存儲處理、顯示、打印并可根據(jù)監(jiān)測對象狀態(tài)自動改變量程的新環(huán)境監(jiān)測儀器產(chǎn)品不斷推向市場。通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，采用集成線路微電子技術(shù)，快速、便攜、多功能的采樣系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測儀器的 產(chǎn)品比重有明顯提高。激光、光纖技術(shù)的應(yīng)用使煙氣監(jiān)測實現(xiàn)了非接觸測量，并可達到多點連續(xù)自動監(jiān)測的要求。遙測遙感技術(shù)的發(fā)展為大范圍的污染監(jiān)測、環(huán)境數(shù)據(jù)采集分析預(yù)測評價等創(chuàng)造了更為便利的條件。隨著環(huán)境監(jiān)測分析方法國際標(biāo)準(zhǔn)化工作的進展，使環(huán)境監(jiān)測儀器的定型化、標(biāo)準(zhǔn)化程度有所提高，從而為國際間環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的可比性提供了可靠的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。生物傳感器、陶瓷傳感器、聲敏傳感器的研制開華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 共 57 頁 9 發(fā)為新一代生物測量及其他物化測量儀器奠定了基礎(chǔ)。以 BOD 快速測定儀為代表的生物污染監(jiān)測儀器的發(fā)展，將使生物技術(shù)在環(huán)境工程方面的應(yīng)用領(lǐng)域進一步 拓寬。 發(fā)達國家在噪聲與振動控制方面，主要致力于提高機電產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，從而盡可能地減少能耗，減少噪聲和振動的產(chǎn)生。噪聲控制設(shè)備可分為消聲、隔聲、吸聲、阻尼及個人防護等幾大類型。工業(yè)發(fā)達國家非常重視對噪聲與振動的控制，例如美國有聲渡衰減裝置（專利號 4540063）、發(fā)動機排氣系統(tǒng)的噪聲與振動衰減裝置（專利號4540064）、新型消聲器（專利號 4538701）等各種獲得專利的消聲設(shè)備。英國非常注意對噪聲的控制，以謀求環(huán)境安寧，上百家噪聲控制設(shè)備制造廠，每年向市場提供幾十億英鎊的產(chǎn)品。英國還具有很發(fā)達的聲 學(xué)材料工業(yè)，吸聲材料主要有玻璃纖維、礦棉巖棉和泡沫塑料等，除此以外還十分重視吸聲結(jié)構(gòu)和吸聲預(yù)制單元的設(shè)計生產(chǎn)，聲衰減有限公司在英國的噪聲控制業(yè)中是很有影響的公司，該公司不僅能生產(chǎn)高質(zhì)量的吸聲、消聲等多品種的系列產(chǎn)品，還具有完善的試驗設(shè)備和各專業(yè)的設(shè)計、科研人員。在構(gòu)件加工、聲學(xué)調(diào)試中，都廣泛地使用計算機技術(shù)，并不斷地取得新成果。德國噪聲控制設(shè)備同樣以每年 25 億德國馬克的銷售額不斷地發(fā)展。 有限元法在機械振動與噪聲分析中的應(yīng)用 有限元法是 20 世紀(jì) 50 年代首先在飛機設(shè)計中使用并獲得迅速發(fā)展的一種有效 的工程數(shù)值方法，有限元法是以計算機為手段，通過離散化將研究的對象變換成一個與原結(jié)構(gòu)近似的數(shù)學(xué)模型，再經(jīng)過一系列規(guī)范化的步驟以求解應(yīng)力、應(yīng)變、位移等參數(shù)的數(shù)值計算方法，充分體現(xiàn)了數(shù)學(xué)理論與程序設(shè)計技巧的結(jié)合。采用有限元手段，通?？偰軌颢@得精度滿足工程要求的數(shù)值解，而工程問題采用求解偏微分獲得解析解，往往難以實現(xiàn)。 早先比較成熟的有限元分析軟件有 Wilson 的 SAP5 以及 NASA 的 NASTRAN。今年來工程中流行的大型商用軟件有 ANSYS 等。 ANSYS 具有更加豐富的單元類型以及基于 Windows 平臺的使 用提供了直觀、便于修改的友好界面，能夠與 AutoCAD、 UG等大型繪圖軟件接口，此外所能求解未知數(shù)的數(shù)目極大地提高，并且還允許處理非線性問題。它結(jié)合了有限元分析、計算機圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)，目前已成為解決現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的工具。 ANSYS 系統(tǒng)匯集了集中式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，前、后處理技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計技術(shù)等，還自帶了闡述設(shè)計語言 APDL 宏命令功能。 ANSYS 系統(tǒng)提供的模態(tài)分析以及模態(tài)擴展實現(xiàn)了對刮板每一個模態(tài)固有頻率的計算從而實現(xiàn)對刮板振動與噪聲的有中心單鏈?zhǔn)焦伟遢斔蜋C振動與噪聲的有限元分析 第 頁 共 57 頁 10限元模擬，而且 ANSYS 參數(shù)設(shè)計語言 APDL 的擴展宏命令功能的實現(xiàn)， 大大降低了設(shè)計計算時間，簡化了設(shè)計過程，方便了研究人員的使用。同時，其強大的后處理技術(shù)為計算結(jié)果的分析檢驗提供可視化圖形顯示。 本課題研究的內(nèi)容 刮板輸送機是礦山運輸設(shè)備的重要組成部分，它主要擔(dān)負(fù)運煤任務(wù)且作為移架支點。刮板傳動系統(tǒng)主要由刮板 、溜槽 和圓環(huán)鏈組成。刮板是貨載的拖拉構(gòu)件，溜槽是貨載的承載構(gòu)件，圓環(huán)鏈?zhǔn)秦涊d輸送的牽引構(gòu)件。本課題對通用的 577mm 長度的 中心單鏈?zhǔn)?U 型刮板的傳動系統(tǒng)進行有限元數(shù)值模擬，對其進行模態(tài)分析，分析其固有頻率和振型，為獲得低噪聲技術(shù)的刮板輸送機奠定技術(shù)基礎(chǔ)。其主要內(nèi)容 包括： 1． 闡述機械振動與噪聲分析的基礎(chǔ)理論和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢。 2． 利用現(xiàn)代 CAD/CAE 技術(shù)建立刮板傳動系統(tǒng)各部分的 Pro/e 模型，利用 Pro/e 與ANSYS 的連接端口，將數(shù)學(xué)模型導(dǎo)入 ANSYS 進行網(wǎng)格劃分。 3． 利用 ANSYS 軟件對刮板 、溜槽 和圓環(huán)鏈進行模態(tài)分析。在進行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析之后，可以得到各部件的動態(tài)特性，如固有頻率和 振型；根據(jù) 模態(tài)分析的結(jié)果，比較各部件之間固有頻率的大小。由資料可預(yù)測，會有 兩個部件的 固有頻率在某一階重合而產(chǎn)生共振引起噪聲，部件之間的 耦合才是刮板傳動系統(tǒng)振動噪聲產(chǎn)生的主要原因。 4． 根 據(jù)以上對刮板輸送機的振動分析和噪聲的研究，對刮板輸送機 相關(guān)部件 進行綜合分析和評價， 改進相關(guān)部件 的結(jié)構(gòu)，并對 改進 后的結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，根據(jù) 分析 結(jié)果， 判斷 刮板輸送機的結(jié)構(gòu) 改進是否 在一定程度上減少了噪聲發(fā)生 的概率 。 5． 根據(jù)結(jié)構(gòu)改進后的分析結(jié)果，得出全文的結(jié)論，并且 提出本文研究中的不足和有待進一步探討的地方，為下一階段工作的開展指明了方向。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 頁 共 57 頁 11 第 2章 有限元法和 ANSYS的基本功能與應(yīng)用 有限元法的基本理論 對于大多數(shù)的工程技術(shù)問題，由于物體的結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜或者某些特征是非線性的，很少有解析解。這類問題的 求解方法通常有兩種：（ 1）引入簡化假設(shè)，將方程和邊界條件簡化為能夠處理的問題，從而得到它在簡化狀態(tài)下的解，但過多的簡化可能導(dǎo)致不正確的甚至錯誤的解；（ 2）人們在廣泛吸收現(xiàn)代數(shù)學(xué)、力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，借助于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物 ——計算機及現(xiàn)代數(shù)值分析技術(shù)來獲得滿足工程技術(shù)要求的數(shù)值解，數(shù)值模擬技術(shù)是現(xiàn)代工程學(xué)形成和發(fā)展的重要動力之一。 目前在工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)常用的數(shù)值模擬方法有：有限單元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法，但就其實用性和應(yīng)用的廣泛性而言，主要還是有限單元法（ FEM）。 有限單元法的基本