无齿锯锯片的有限元模态分析及优化

2016-08-16 05:36河北农业大学机电工程学院高龙刘月
河北农机 2016年4期
关键词:锯片振型固有频率

河北农业大学机电工程学院 高龙 刘月

无齿锯锯片的有限元模态分析及优化

河北农业大学机电工程学院高龙刘月

本文使用Creo Parametric 2.0按照等比例创建无齿锯锯片三维特征模型,并使用有限元软件ANSYS Workbench 14.0对其施加旋转预应力,同时进行模态分析,并根据分析结果合理调整锯片外形。对新模型重新分析后,结果显示:新型锯片的振动幅度、振动强度与噪音都在一定程度上减小,并且其固有频率分布更为合理。

无齿锯锯片;旋转预应力;模态分析;优化

前言

无齿锯广泛地应用于型钢、管材、水泥和大理石等硬质材料的切割中。无齿锯通过锯片的高速旋转,来完成对材料的切割[1]。由于无齿锯锯片是一个面积较大的薄板,其厚度与直径的比例非常小,在高速旋转条件下工作,锯片会不可避免地产生振动和偏摆问题[2]。锯片的振动会直接降低锯切质量,严重时甚至造成生产事故,并且锯片振动产生的噪声也是一个不可忽视的问题。因此,有必要对无齿锯锯片的振动特性进行研究,并根据其振动特性合理地调整锯片外形。

考虑到无齿锯锯片在旋转预应力作用下,其模态频率与对应振型会发生改变[3-4]。因此,本文利用Creo Parametric 2.0软件创建锯片的三维模型,并采用ANSYS中的Workbench技术对其设置旋转预应力,同时进行模态分析,以得到锯片相对应状态的固有频率与振型,并根据其振型与固有频率对锯片的结构做出调整,以期获得较好的锯片结构,将其应用到实际生产中。

1模型的建立与分析

1.1模型的建立

为了得到较为准确的分析结果,本文根据上海润锋公司生产的188干切型锯片等比例建立锯片的模型。考虑到在ANSYSWorkbench 14.0中建模较烦琐,使用Creo Parametric 2.0建立模型,并保存为Workbench容易识别的.x_t的格式。锯片的主要尺寸参数为:锯片直径D= 188mm,夹盘直径d=50mm,安装孔直径d1=25.4mm,厚度b=2.4mm。模型如图1所示。图1三维模型

1.2材料属性定义

本文根据实物选择的材料设置模型的材料属性,所以在ANSYS中设置模型的材料为65Mn,密度为7.85E-06kg/mm3,泊松比为0.3,杨氏模量为2E+05MPa。在Workbench 14.0应用环境下,选Static Structure模块与Modal模块,并将两者结果进行关联,设置单位为kg、mm、s。

1.3网格划分

采用多域扫掠型网格划分法(Multizon)划分锯片网格,为了使分析结果更加准确,本文采用更精细的网格划分设置,将Relevance设置为100,Relevance Center选择为fine,同时网格尺寸Element Size设为4.0mm,网格划分共得到33560个节点,4773个单元。

1.4加载约束并求解

由于在Modal模块环境下无法添加旋转预应力,所以需要在Static Structure模块环境下进行设置约束条件,即在安装孔上设置Cylindrical Support约束,夹盘两表面设置Fixed support约束,同时设置锯片的转速为2840r/min(锯片实际转速)。由于低阶振型对锯片结构的振动影响较大,且对其动态特性也起决定性作用,因此应当着重研究分析锯片的低阶振动频率[5]。所以,提取前6阶模态的固有频率和振型作为分析对象。

1.5结果分析

由表1与图2可看出,锯片的前3阶频率变化不大,最多相差7Hz;从第4阶开始随着阶次的增加,振动频率也显著增大,且锯片的扭转变形幅度也不断增加。分析结果显示当外界激励接近锯片的固有频率时可能发生振动的叠加,对锯片可能造成较为严重的破坏。

表1 模态频率

图2 锯片振型

2结构改进

对添加了旋转预应力的锯片进行模态分析可以得到:锯片的前几阶固有频率较近,当外界出现与锯片固有频率相近的干扰源时可能造成振动叠加情况的发生。因此,为了避免这种情况发生,同时也尽可能地减小锯片振动幅度,降低噪音,故对锯片的结构进行改进。改进形式如下:在锯片上开四个减震孔,以期打破锯片原有的节圆与节线,来抑制锯片的驻波共振的产生(模型如图3所示)。将新的模型重新分析导入Workbench 14.0中进行重新分析:锯片前六阶振型如图4,前六阶固有频率值如表2所示。

图3 优化后的模型的网格划分

图4 优化后的锯片振型

表2 优化后的模态频率

图4表明:改进后的锯片相对于改进前的锯片的振动响应的振幅有了一定程度的减小。同时表2表明:改进后的锯片各阶固有频率明显的减小,各阶固有频率之间间隔相差较大,当出现外界干扰时,不会同时有几个频率相近的情况发生,也就不会发生振动的叠加。查阅相关资料[6]发现同一阶次的频率越低,意味着振动强度低、噪音小。分析结果在一定程度上说明对锯片外形的调整能够达到降低锯片噪音、减小振动的效果。

3结论

为了解决锯片工作时振动幅度过大、噪音过高的问题,本文利用CreoParametric 2.0根据实际生产的无齿锯锯片按照1:1的比例创建了无齿锯锯片三维模型。将其导入ANSYS Workbench 14.0中,对其进行设置了预应力的模态分析,根据模态分析得到固有频率与振型,对锯片的结构进行改进,即在原有结构上开减震孔,并对新模型重新分析。对比分析结果:改进后的锯片质量变轻,振动幅度、振动强度与噪音都有一定程度的减小,并且新锯片固有频率分布更为合理,新的锯片结构达到了预期的设计要求,同时也为新型无齿锯锯片的进一步优化设计提供了依据。

[1]孙福杰.无齿锯的可移动改造[J].一重技术,2008(2):79-80.

[2]房怀英.石材锯切加工中圆锯片的振动研究[D].华侨大学,2012.3.

[3]谢远森,李意民,周忠宁等.旋转预应力条件下的叶片流固耦合模态分析[J].噪声与振动控制,2009,29(4):34-37.

[4]臧勇,李同进,陶登奎等.圆锯片的有限元模态分析 [J].重型机械,2002(1):49-52.

[5]王犇,华林.高速旋转状态下汽车弧齿锥齿轮的动力学模态分析[J].汽车工程,2011,33(5):447-451.

[6]仇君,王成勇,胡映宁等.降噪减振结构金刚石圆锯片的有限元模态分析模型[J].工具技术,2003,37(10):25-27.

高龙,1991年出生,河北唐山人,在读硕士研究生。

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