计算机辅助工程（CAE）作为一门新兴的学科，已经成为各大企业中设计新产品过程中不可缺少的一环。CAE技术是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动/动力学仿真，验证未来工程或产品的可用性与可靠性。CAE技术主要包括以下三个方面的内容[1]：1）有限元法的主要对象是零件级，包括结构刚度、强度分析、非线性和热场计算等内容；2）仿真分析的主要对象是分系统或系统，包括虚拟样机、流场计算和电磁场计算等内容；3）优化设计的主要对象是结构设计参数。

本次分析用模型为某电动工具外壳。其在使用过程中有振动，为避免外壳的固有频率与工作频率重合发生机械共振以及如抖动等其他现象，或者由于振动而使产品出现故障和性能下降的情况，使用扫频试验搜寻外壳产品的共振点[2]。本文涉及振动测试方法属于零部件测试中常见的高端力学特性测试研究。

本文使用 CAE仿真技术中的有限元法分析了塑料材质的电动工具外壳固有频率分布情况，同时采用工程实验进行验证，对实验与仿真的差异进行分析，以期得到本产品优化设计以及实验设计优化方向。

1 实验

1.1 材料

图1是用于实验测试以及仿真分析的部件为某电动工具外壳。此电动工具外壳呈盒状，顶部两侧有格栅孔，对角线上有用于定位螺丝孔及平台，底部为平面，近底部的侧壁有减胶，顶面背部有部件信息，外观面有LOGO。用于有限元分析的模型则在实物3D模型的基础上进行了包括去除LOGO、文字、小圆角等加大建模难度而对分析精度影响较小的细微特征的简化模型。

  

图1 电动工具外壳实物图及仿真分析模型

实验测试的产品由注塑成型制得，注塑模具为三板模具，浇注系统采用四点点浇口进胶。成型过程中通过控制浇口的开启/关闭，组合多种进胶方案（浇口位置及组合方式如图2所示），使用PBT-RG301 BK-32材料成型。

  

图2 浇口位置及组合方式

模型特征值输出如表2所示。

1.2 仿真软件与仪器

对于任何动态分析过程，必须对要求动态响应的模型赋予质量或者密度。且在基于模态的稳态动力学分析过程中，材料的塑形和其他非弹性效应，粘弹性效应等材料属性将不起作用。

仪器：电动振动机，DH-8000，苏州苏试试验仪器股份有限公司。

工程实验采用电动振动机作为测试设备，其运动部件为励磁动圈，依靠电磁原理控制动圈运动，采用电荷式加速度传感器作为实时监控反馈，形成振动测试系统，如图3所示。

  

图3 测试设备原理图

2 结果与讨论

2.1 材料选项

仿真软件：本次扫频分析应用大型通用有限元分析软件ABAQUS进行[3-5]，选用基于模态的稳态动力学分析（steady-statedynamic model）来实现，其中涉及到的产品包括abaqus/standard和abaqus/CAE。通常可以使用基于模态的稳态动力学分析来进行频率扫描分析。

旅游专业是一门实践性较强的学科，教师更要关注学生的实际操作能力，不能只教授他们文化知识，而不让其进行亲身体验，否则就会造成纸上谈兵的教育现象。

分析采用材料为PBT，其密度为1.62 g/mm3，弹性模量为5 982.0299 MPa（材料90°方向，即垂直流动方向的力学性能），泊松比为0.4，如图4所示。

  

图4 材料设置

2.2 分析步设置

由于基于模态的稳态动力学分析的响应是基于模态叠加技术的，系统模态必须先使用特征频率提取过程来提取。

按照实验设计条件开展实验，输出振动曲线图和共振频率扫频图。使用通道一传感器连接在励磁动圈上进行扫频振动控制，通道三传感器连接在被测样品表面进行加速度监测，从10 Hz～2 000 Hz进行共振频率搜索，以监测传感器反馈加速度峰值点进行评定，幅值比大于0.5的点作为共振频率点，得到扫频共振分布图，如图9所示。

言归今年的“麦克拉伦谷葡萄酒大赛”，当地旅游局安排我在一格格仿如露营拖车的“Escapod”居住，其外型设计型格时尚，配以四周绿草如茵的环境令我感觉置身在香港某些楼盘广告的示范单位内，最开心就是其所提供的暖心任饮任食服务，葡萄酒酒款亦应有尽有，不可不提是它兼备室外按摩浴缸，环抱美丽葡萄园美景，边喝酒边洗涤心灵，连著名酒评家James Halliday试过亦赞不绝口。

固有频率提取创建分析步，选择进程类型线性摄动分析（linear perturbation）选择分析类型为频率（frequency）。选用 Lanczos求解器，需要提取的特征值用频率范围控制，输入感兴趣的最大频率（周期/时间）值2 000，位移归一化方法。

采用溶剂挥发法制备Lut-SD。取圆底烧瓶，称取一定量的Lut和载体材料，加入无水乙醇。于45 ℃水浴条件下持续搅拌至溶液体系变澄清。减压旋蒸除去无水乙醇有机溶剂，固体物于45 ℃真空干燥箱中过夜干燥，即得Lut-SD，并于干燥器中敞口保存。

基于模态的稳态动力学分析在固有频率提取分析步后创建分析步，选择进程类型线性摄动分析，分析类型基于模态的稳态动力学分析。通过使用系统的特征频率来指定频率范围，选择对数频率间隔（scale：logarithmic），指定感兴趣频率范围为1～2 000 Hz，偏置参数设为3。未选择模态指定阻尼。

2.3 边界条件

选取扫频试验中粘结加速度传感器位置的点，输出频率-加速度曲线。可明显观察到使用基于模态的稳态动力学分析得到的扫频共振点分布情况，如图7所示。

约束在初始分析步中创建边界条件，选择位移/转动，选择束螺丝孔处小平台区域后，勾选平动自由度U1/U2/U3，固定螺丝孔处小平台。

查看该模型的基本情况：总质量为9.422 e-5（94.2 g），其质心为（－193.1005，0.2829942，28.47505）。

  

图5 振幅和边界条件设置

2.4 仿真结果分析

基础运动在基于模态的稳态动力学分析步中创建边界条件，选择类型加速度基础运动（acceleration base motion），选择自由度方向U1（垂直顶部小平面，加速度传感器固定方向），选择幅值曲线，定义幅值曲线缩放因子为1，如图5所示。

该村蔬菜种植起步早，种植面积占总可耕地面积2/3，人均年可支配收入位居全乡前列。在中牟县整体规划布局中，沟张村位于南部特色农业示范区核心位置，发展前景良好。沟张村无村集体经济，农户主要以种植业为主，尤其是大蒜及其他蔬菜的种植，是该村产业支柱。但近年来由于大蒜价格像过山车式的下跌，蔬菜集中上市也存在很多弊端，农户收成并不乐观。

 

表1 模型基本情况

  

项目模型整体质量参数94.2g模型的重心位置 -193.1005，0.2829942，28.47505原点惯量 0.2525717（XX），3.677282（YY），3.631501（ZZ）原点惯量积 4.851405 e-3（XY），0.5174167（XZ），－3.444917e-3（YZ）质量重心的转动惯量 0.1761643（XX），8.7462717 e-2（YY），0.1180734（ZZ）质量重心的转动惯量积 －2.9761075 e-4（XY），-6.8047146 e-4（XZ），－2.6856315e-3（YZ）

由于PBT-RG301 BK-32材料采用纤维填充增强，其平行纤维方向的机械性能与垂直纤维方向的机械性能相差巨大，故而测试该种材料的三向拉伸应力应变曲线以便后用。拉伸测试采用ISO527标准。

 

表2 模型特征值输出

  

模型编号 特征值 频率 广义质量 复合模态阻尼RAD/时间 CYCLES/时间1 8.93451 e6 2989.1 475.72 2.54139 e-5 0.0000 2 2.80404 e7 5295.3 842.78 5.16697 e-6 0.0000 3 3.08054 e7 5550.3 883.35 1.83284 e-5 0.0000 4 4.97425 e7 7052.8 1122.5 6.83277 e-6 0.0000 5 8.62890 e7 9289.2 1478.4 5.36089 e-6 0.0000 6 8.92200 e7 9445.6 1503.3 4.21819 e-6 0.0000 7 1.42412 e8 11934 1899.3 2.39458 e-6 0.0000

模型参与因子如表3所示。

 

表3 模型参与因子

  

模型编号 X-组分 Y-组分 Z-组分 X-旋转 Y-旋转 Z-旋转1 －2.32112 e-2 －0.10058 0.22558 2.9305 93.311 50.196 2 －0.33092 －0.62832 －0.75366 67.902 －146.77 95.324 3 －1.4583 0.10223 0.23069 5.8964 1.53127 e-2 －13.420 4 0.35015 1.5854 1.6327 －13.555 310.50 －280.37 5 8.67567 e-2 －1.5298 1.7181 32.557 342.01 289.70 6 0.31840 －2.5463 －0.37968 121.88 －72.327 506.72 7 －0.69287 －1.1061 －0.33978 －51.078 －103.00 241.11

模型有效质量如表4所示。

 

表4 模型参与因子

  

模型编号 X-组分 Y-组分 Z-组分 X-旋转 Y-旋转 Z-旋转1 1.36920 e-8 2.57112 e-7 1.29327 e-6 2.18255 e-4 0.22128 6.40335 e-2 2 5.65809 e-7 2.03986 e-6 2.93487 e-6 2.38234 e-2 0.11131 4.69500 e-2 3 3.89803 e-5 1.91536 e-7 9.75433 e-7 6.37234 e-4 4.29761 e-9 3.30073 e-3 4 8.37736 e-7 1.71738 e-5 1.82150 e-5 1.25537 e-3 0.65874 0.53709 5 4.03500 e-8 1.25452 e-5 1.58244 e-5 5.68228 e-3 0.62707 0.44991 6 4.27629 e-7 2.73496 e-5 6.08080 e-7 6.26644 e-2 2.20660 e-2 1.0831 7 1.14957 e-6 2.92987 e-6 2.76460 e-7 6.24728 e-3 2.54049 e-2 0.13921总计 4.20151 e-5 6.24870 e-5 4.01275 e-5 0.10053 1.6659 2.3236

频率提取分析显示，电动工具外壳低于2 000 Hz的固有频率共有7阶，其中一阶固有频率为475.72 Hz，从该阶模态的参与因子和有效质量来看，该阶模态在Z方向上的运动以及绕Y轴转动较为强烈。其低于2 000 Hz的固有频率其振型如图6所示。

短语结构的句法分析一直是英语的句法分析的主要工作，而依存句法的研究开展则相对滞后。Melchuk在1988年全面系统的研究了英语的依存语法理论，Eisner[1]在1997年最先提出了树库转化的思想，依存树库通过短语树库转化得到，并进行了相关的转化实验。Eisner在数据转换时对含连词的句子进行过滤，其余的句子使用规则进行自动转换，得到了90.1%的依存正确率。

  

图6 固有频率及振型

在基于模态的动态响应过程中，直接指定非零的位移和转动作为边界条件是不可能的。在一个基于模态的稳态动力学分析中，节点的运动，可以指定成基础运动。频率相关的基础运动可以使用幅值定义来指定一个基础运动的幅值为频率的函数。

  

图7 频率-加速度曲线

2.5 工程实验设计

根据注塑成型零件，以最低成本制定工装夹具，采用内六角螺钉进行拼装固定，并以垂直姿态安装固定在振动台面上，保持刚性连接，具体实验条件如表5所示。

 

表5 振动测试条件

  

频率/ Hz 加速度/ m·s-2 分段类型 其他条件10 1 固定对数斜率25 200 恒定加速度200 200 固定对数斜率205 100 恒定加速度2000 100 /振动方向：Z轴扫频速率：1oct/min共振搜索：10 Hz～2000 Hz峰值点，幅值比＞0.5

根据注塑成型零件结构制定工装夹具，采用内六角螺钉进行拼装固定，并以垂直姿态安装固定在振动台面上，保持刚性连接。激励信号监测传感器固定在振动台台面，响应信号监测传感器固定在样品正面中间位置。

  

图8 安装图

2.6 工程实验结果

1.4.1 s-100止血绫护理组 采用在局部麻醉下行痔核外剥内扎切除术，手术完毕后，将纱布塞入肛门后再将s-100吸收性止血绫贴敷于创面处，然后常规用纱布及胶布压迫创面止血。术后全身应用抗生素药物预防感染，24 h后予创面换药。

  

图9 共振频率搜索

2.7 数据分析

将CAE仿真结果与工程实验结果数据进行对比，根据表6计算出两者最接近的共振点偏差，分析两者共振点分布差异及对应情况。

 

表6 共振点分布分析

  

项目 1 2 3 4 5 6 7 8 9 CAE频率/ Hz 475 / / 844 882 1167 1478 1503 1899工程实验频率/ Hz 460 585 632 650 939 1278 1298 1588 1789偏差/ Hz －15 / / －194 +57 +111 －180 +85 －110

电动工具后盖CAE仿真固有频率分布与工程实验测试得出固有频率分布基本吻合，如图10所示，其中一阶固有频率，仿真结果为 475 Hz，工程实验结果为460 Hz，两者差异15 Hz，忽略过程中其他影响因子的作用，两者可相互印证，验证了仿真的有效性与实验的准确性。

在进行模糊控制时，输入和输出变量必须经过模糊化才能进行模糊控制[4]。该项研究有2个模糊控制，第1个是单输入单输出，第2个是双输入单输出。

绪论课是各门课程正式教学开始前的前言课，对该学科进行综合性的概括和介绍。绪论课是一门新课教学中师生之间首次面对面的课堂交流，教学效果直接关乎学生对本门课程的学习热情，也影响到后期的教学效果，因此，绪论教学的地位举足轻重。在教学中始终把讲好组织学与胚胎学的绪论列为重点之一。

同时，从高阶固有频率结果分布来看，CAE仿真与工程实验结果的差异性开始显现，工程实验得到的固有频率比CAE仿真结果多，但是总体趋势是吻合的。

  

图10 数据对比图

3 结论

对于CAE仿真与工程实验两者之间产生高阶固有频率分布差异的原因进行如下分析：CAE仿真原始数据来源于原材料力学测试结果，如拉伸模量、泊松比，该测试数据具有不确定度，可推断出仿真结果具有偏差性；工装设计没有采用整体加工方式，同时没有进行工装夹具的固有频率验证，实际工程经验中，优先采用全铸铁或整体精雕成型方式的工装夹具，其次推荐电焊方式成型，最后采用螺钉紧固方式，本次工程实验为节省成本，采用螺钉紧固方式，其工装夹具本身固有频率范围较大，对实验结果产生影响，其中在600 Hz附近连续出现多点共振可能就是工装夹具影响，实验后期固定点断裂也是工装夹具设计不良的结果；传感器固定位置与固定方式造成的影响，由于该样品表面没有完全平整面，样品表面不能钻孔，我方只能采取胶水粘贴在中间位置的方式，而 CAE仿真结果显示，样品共振源在样品的周边区域，再加上胶水不能完全粘合，因此传递过程中会有信号失真现象。

③农民水费承受力计算。根据计算公式，桃花山镇农民用水者协会农民水费承受力为90元/亩；调关镇农民用水者协会、东升镇农民用水者协会农民承受力为90.7元/亩。

参考文献：

[1]张思. 振动测试与分析技术[M]. 清华大学出版社, 1992.

[2]胡卫强, 王敏庆. 振动测试中传感器数目和位置设计的谐响应分析方法[J]. 噪声与振动控制, 2006, 26(4): 114-116.

[3]刘展. ABAQUS有限元分析从入门到精通[M]. 人民邮电出版社, 2015.

[4]江丙云, 孔祥宏, 罗元元. ABAQUS工程实例详解[M]. 人民邮电出版社, 2014.

拌和站另外一种常见的故障就是搅拌机发生故障，一般情况下可以在使用搅拌机之前通过搅拌机的声音判断其运行是否正常，如果搅拌机因为超负荷运转或者固定轴承损坏，其发出的声音应该是异常的，这时候需要对搅拌机的固定支座进行复位处理，对于损坏的轴承就要直接进行更换处理。另外可以根据搅拌机的出料温度判断搅拌机的工作性能，如果搅拌机出料的温度过高或者过低，与实际采样测量的温度相差较大，说明其温度传感器出现了问题，应该及时检查修理温度传感器。

[5]曹金凤. ABAQUS有限元分析常见问题解答[M]. 机械工业出版社, 2009.