基于ANSYS的高速圆形锯片的振动特性研究

2013-06-03 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

金属圆形锯片属于面积较大的薄板类零件,其在锯切加工过程中普遍存在着严重的振动问题。为了提高圆形锯片的工作可靠性,降低其工作时的振动。本文采用有限单元法,对比计算了两种不同基体结构圆形锯片的固有特性,分析了固有频率及振型的变化,得出了基体开孔可以降低圆形锯片的工作振动和噪声。

张洪才来源:e-works
关键字:CAE ANSYS 振动锯片

1 引言
金属圆形锯片是切断加工的重要刀具,由于其是一个面积较大的薄板,厚度与直径比非常小,且又是在高速旋转及高速送进的条件小工作,在锯切加工过程中,普遍存在严重的振动问题。振动不仅会产生噪音污染、缩短锯片的使用寿命、降低锯片的工作可靠性、降低锯切质量、增大锯缝的宽度,还会加剧锯片的变形失效,甚至引起安全事故。因此在实际使用过程中,锯片的振动和稳定性问题是一个不容忽视的普遍存在的问题,有必要对其振动特性进行研究。
2 建立模型及相关计算理论
2.1 计算理论
研究高速圆形锯片的振动特性基础,就是必须要对模型进行模态分析来确定模型的固有频率和振型,并通过设计来使锯片的工作频率避开这些共振点,和降低锯片的固有频率从而可以减小锯片的工作噪声。
典型的无阻尼模态分析求解的基本方程是经典的特征值问题:
其中:
    =刚度矩阵,
    =第i阶模态的振型向量(特征向量),
    =第i阶模态的固有频率(是特征值),
    =质量矩阵。
在ANSYS里面有7种方法可以求解(1)式,即分块Lanczos法、子空间(Subspace)法、PowerDynamics法、缩减(Reduced /Householder)法、非对称(Unsymmetric)法、阻尼(Damp)法(阻尼法求解的是另一个方程,参见<<ANSYS理论手册>>中关于此法的详细信息)、QR阻尼法。
2.2 建立模型
如图1所示,圆形锯片的内孔半径为,锯片的半径为,锯片厚度为。在锯片工作时,假设圆形锯片内孔固定没有窜动。因为锯片的厚度远小于锯片的半径,所以模型可以简化为二维平面应力模型,图2为改进的圆形锯片模型,即在圆形锯片中开四个对称的圆形空。稍后的计算将对比两种圆形锯片的振动特性。

图1 传统圆形锯片的几何模型简图图2 改进的圆形锯片的几何模型简图

表1中给出了圆形锯片的计算参数,假设锯片的工作转速为1000rad/s,因此对锯片计算固有频率时应该考虑其由于转动而引起的预应力影响。

表1 计算中的主要参数

本文使用8节点plane183单元模拟其振动特性,为了保证计算的准确性,网格应该划分均匀。

图3 传统锯片的有限元模型图4 改进后的锯片有限元模型

3 计算结果及讨论
表2给出了传统锯片的固有频率,其固有频率分布特点为高频居多,只有1阶为低频,为了让锯片能够避开共振点其工作转送应该避开这些点。

表2 传统锯片的固有频率

图5 传统锯片1阶振型图图6 传统锯片2阶振型图

图7 传统锯片3阶振型图图8 传统锯片4阶振型图

图9 传统锯片5阶振型图图10 传统锯片6阶振型图

图5到图10给出了传统圆形锯片的前6阶振型,从振型中可以看出1阶为锯片径向振动模态;2阶和3阶的固有频率相同但振型是不同的,他们的振型具有正交的特点。
表3给出了改进后的锯片工作时的固有频率,通过表可以看出开孔后的锯片1阶固有频率没有变化,而2、3阶固有频率有较大的下降,4到6阶也有不同程度的下降;这说明开孔的圆形锯片可以降低工作的振动频率,因此可以降低工作的噪声并且可以提高其工作的可靠性。这一结论,对于实际的圆形锯片设计有着重要的指导意义,找到了一条提高圆形锯片工作可靠性的有效途径,且可以节约材料。

表3 改进后锯片的固有频率

图11 改进锯片1阶振型图图12 改进锯片2阶振型图

图13 改进锯片3阶振型图图14 改进锯片4阶振型图

图15 改进锯片5阶振型图图16 改进锯片6阶振型图

图11到图16给出了改进后圆形锯片前6阶的固有频率振型,从图中可以看出开孔后的圆形锯片可以降低振动幅度,这再一次证明了开孔圆形锯片在振动特性上优于传统的圆形锯片。
4 结论
通过以上计算和分析,得出以下结论:
(1)传统圆形锯片与改进的圆形锯片相比,工作时的振动频率高,噪声大。
(2)通过开孔的方法,对传统的圆形锯片起到了一定的优化作用可以提高锯片的工作可靠性,对工程由一定的指导意义。

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