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構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,且又是在高速旋轉及高速送進的條件小工作,在鋸切加工過程中,普遍存在嚴重的振動問題。振動不僅會產生噪音污染、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,就是必須要對模型進行模態分析來確定模型的固有頻率和振型,并通過設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。
典型的無阻尼模態分析求解的基本方程是經典的特征值問題:
其中:
    =剛度矩陣,
    =第i階模態的振型向量(特征向量),
    =第i階模態的固有頻率(是特征值),
    =質量矩陣。
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,圓形鋸片的內孔半徑為,鋸片的半徑為,鋸片厚度為。在鋸片工作時,假設圓形鋸片內孔固定沒有竄動。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,假設鋸片的工作轉速為1000rad/s,因此對鋸片計算固有頻率時應該考慮其由于轉動而引起的預應力影響。

表1 計算中的主要參數

本文使用8節點plane183單元模擬其振動特性,為了保證計算的準確性,網格應該劃分均勻。

圖3 傳統鋸片的有限元模型圖4 改進后的鋸片有限元模型

3 計算結果及討論
表2給出了傳統鋸片的固有頻率,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送應該避開這些點。

表2 傳統鋸片的固有頻率

圖5 傳統鋸片1階振型圖圖6 傳統鋸片2階振型圖

圖7 傳統鋸片3階振型圖圖8 傳統鋸片4階振型圖

圖9 傳統鋸片5階振型圖圖10 傳統鋸片6階振型圖

圖5到圖10給出了傳統圓形鋸片的前6階振型,從振型中可以看出1階為鋸片徑向振動模態;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。這一結論,對于實際的圓形鋸片設計有著重要的指導意義,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于傳統的圓形鋸片。
4 結論
通過以上計算和分析,得出以下結論:
(1)傳統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,對傳統的圓形鋸片起到了一定的優化作用可以提高鋸片的工作可靠性,對工程由一定的指導意義。

開放分享：優質有限元技術文章,助你自學成才