基于ANSYS的高速圓形鋸片的振動特性研究

2013-06-03 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

金屬圓形鋸片屬于面積較大的薄板類零件,其在鋸切加工過程中普遍存在著嚴(yán)重的振動問題。為了提高圓形鋸片的工作可靠性,降低其工作時的振動。本文采用有限單元法,對比計算了兩種不同基體結(jié)構(gòu)圓形鋸片的固有特性,分析了固有頻率及振型的變化,得出了基體開孔可以降低圓形鋸片的工作振動和噪聲。

張洪才來源:e-works
關(guān)鍵字:CAE ANSYS 振動鋸片

1 引言
金屬圓形鋸片是切斷加工的重要刀具,由于其是一個面積較大的薄板,厚度與直徑比非常小,且又是在高速旋轉(zhuǎn)及高速送進的條件小工作,在鋸切加工過程中,普遍存在嚴(yán)重的振動問題。振動不僅會產(chǎn)生噪音污染、縮短鋸片的使用壽命、降低鋸片的工作可靠性、降低鋸切質(zhì)量、增大鋸縫的寬度,還會加劇鋸片的變形失效,甚至引起安全事故。因此在實際使用過程中,鋸片的振動和穩(wěn)定性問題是一個不容忽視的普遍存在的問題,有必要對其振動特性進行研究。
2 建立模型及相關(guān)計算理論
2.1 計算理論
研究高速圓形鋸片的振動特性基礎(chǔ),就是必須要對模型進行模態(tài)分析來確定模型的固有頻率和振型,并通過設(shè)計來使鋸片的工作頻率避開這些共振點,和降低鋸片的固有頻率從而可以減小鋸片的工作噪聲。
典型的無阻尼模態(tài)分析求解的基本方程是經(jīng)典的特征值問題:
其中:
    =剛度矩陣,
    =第i階模態(tài)的振型向量(特征向量),
    =第i階模態(tài)的固有頻率(是特征值),
    =質(zhì)量矩陣。
在ANSYS里面有7種方法可以求解(1)式,即分塊Lanczos法、子空間(Subspace)法、PowerDynamics法、縮減(Reduced /Householder)法、非對稱(Unsymmetric)法、阻尼(Damp)法(阻尼法求解的是另一個方程,參見<<ANSYS理論手冊>>中關(guān)于此法的詳細信息)、QR阻尼法。
2.2 建立模型
如圖1所示,圓形鋸片的內(nèi)孔半徑為,鋸片的半徑為,鋸片厚度為。在鋸片工作時,假設(shè)圓形鋸片內(nèi)孔固定沒有竄動。因為鋸片的厚度遠小于鋸片的半徑,所以模型可以簡化為二維平面應(yīng)力模型,圖2為改進的圓形鋸片模型,即在圓形鋸片中開四個對稱的圓形空。稍后的計算將對比兩種圓形鋸片的振動特性。

圖1 傳統(tǒng)圓形鋸片的幾何模型簡圖圖2 改進的圓形鋸片的幾何模型簡圖

表1中給出了圓形鋸片的計算參數(shù),假設(shè)鋸片的工作轉(zhuǎn)速為1000rad/s,因此對鋸片計算固有頻率時應(yīng)該考慮其由于轉(zhuǎn)動而引起的預(yù)應(yīng)力影響。

表1 計算中的主要參數(shù)

本文使用8節(jié)點plane183單元模擬其振動特性,為了保證計算的準(zhǔn)確性,網(wǎng)格應(yīng)該劃分均勻。

圖3 傳統(tǒng)鋸片的有限元模型圖4 改進后的鋸片有限元模型

3 計算結(jié)果及討論
表2給出了傳統(tǒng)鋸片的固有頻率,其固有頻率分布特點為高頻居多,只有1階為低頻,為了讓鋸片能夠避開共振點其工作轉(zhuǎn)送應(yīng)該避開這些點。

表2 傳統(tǒng)鋸片的固有頻率

圖5 傳統(tǒng)鋸片1階振型圖圖6 傳統(tǒng)鋸片2階振型圖

圖7 傳統(tǒng)鋸片3階振型圖圖8 傳統(tǒng)鋸片4階振型圖

圖9 傳統(tǒng)鋸片5階振型圖圖10 傳統(tǒng)鋸片6階振型圖

圖5到圖10給出了傳統(tǒng)圓形鋸片的前6階振型,從振型中可以看出1階為鋸片徑向振動模態(tài);2階和3階的固有頻率相同但振型是不同的,他們的振型具有正交的特點。
表3給出了改進后的鋸片工作時的固有頻率,通過表可以看出開孔后的鋸片1階固有頻率沒有變化,而2、3階固有頻率有較大的下降,4到6階也有不同程度的下降;這說明開孔的圓形鋸片可以降低工作的振動頻率,因此可以降低工作的噪聲并且可以提高其工作的可靠性。這一結(jié)論,對于實際的圓形鋸片設(shè)計有著重要的指導(dǎo)意義,找到了一條提高圓形鋸片工作可靠性的有效途徑,且可以節(jié)約材料。

表3 改進后鋸片的固有頻率

圖11 改進鋸片1階振型圖圖12 改進鋸片2階振型圖

圖13 改進鋸片3階振型圖圖14 改進鋸片4階振型圖

圖15 改進鋸片5階振型圖圖16 改進鋸片6階振型圖

圖11到圖16給出了改進后圓形鋸片前6階的固有頻率振型,從圖中可以看出開孔后的圓形鋸片可以降低振動幅度,這再一次證明了開孔圓形鋸片在振動特性上優(yōu)于傳統(tǒng)的圓形鋸片。
4 結(jié)論
通過以上計算和分析,得出以下結(jié)論:
(1)傳統(tǒng)圓形鋸片與改進的圓形鋸片相比,工作時的振動頻率高,噪聲大。
(2)通過開孔的方法,對傳統(tǒng)的圓形鋸片起到了一定的優(yōu)化作用可以提高鋸片的工作可靠性,對工程由一定的指導(dǎo)意義。

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