大型超硬材料砂輪基體的數(shù)字化仿真設(shè)計(jì)

高會(huì)強(qiáng) 王 帥 胡 佳

（鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司，鄭州 450001）

大型超硬材料砂輪基體的數(shù)字化仿真設(shè)計(jì)

高會(huì)強(qiáng) 王 帥 胡 佳

（鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司，鄭州 450001）

在本文涉及的大型高速超硬材料砂輪鋼基體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用三維軟件Pro/e及仿真分析軟件ANSYS對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)字化的仿真分析。在對(duì)砂輪基體進(jìn)行參數(shù)化建模和優(yōu)化設(shè)計(jì)后，對(duì)砂輪基體進(jìn)行強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)特性分析，并聯(lián)合三維軟件完成了砂輪基體的數(shù)字化建模。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析和數(shù)字化模型，得到了砂輪基體的質(zhì)量屬性和工作過(guò)程中基體內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變以及變形位移量的直觀圖形。以分析結(jié)果作為參考，以期為大型砂輪基體的設(shè)計(jì)制造提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

砂輪基體 ANSYS Pro/e 優(yōu)化設(shè)計(jì) 三維建模

引言

高速精密超硬材料砂輪一般都選用鋼材作為砂輪基體，是通過(guò)粘接劑將磨料層與砂輪基體粘結(jié)的結(jié)構(gòu)形式。

一般情況下，超硬材料砂輪都是在高速條件下使用。為保證砂輪使用過(guò)程中的安全性，砂輪基體的強(qiáng)度必須滿足使用要求。使用過(guò)程中，砂輪精度會(huì)受砂輪基體的剛度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的影響。此外，由于受到機(jī)床主軸功率的限制，砂輪基體質(zhì)量必須滿足一定要求，以免影響機(jī)床壽命和正常使用。

確定砂輪相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)后，主要是針對(duì)砂輪基體的設(shè)計(jì)。通過(guò)ANSYS軟件對(duì)砂輪基體進(jìn)行參數(shù)化建模，選擇相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)和優(yōu)化變量后，對(duì)砂輪基體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得最優(yōu)的砂輪基體設(shè)計(jì)模型。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝特點(diǎn)對(duì)最優(yōu)砂輪基體模型進(jìn)行適當(dāng)修改和調(diào)整，得到適合實(shí)際生產(chǎn)工藝要求的砂輪基體。將確定的砂輪基體由ANSYS軟件導(dǎo)入Pro/e中，完成設(shè)計(jì)基體的三維數(shù)字化建模，得到設(shè)計(jì)基體的質(zhì)量特性等屬性及砂輪基體的工程圖紙。

1 ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)條件

工作中，有一大型砂輪設(shè)計(jì)制造任務(wù)，其給定的各項(xiàng)指標(biāo)要求如下：砂輪最高使用線速度120m/min；外徑1600mm，砂輪層厚6mm，砂輪層寬度150mm，安裝孔直徑170mm，安裝部位厚78mm；最大質(zhì)量1200kg。

該砂輪為高速超硬材料砂輪，基體材質(zhì)選擇為40Cr。查手冊(cè)，可得40Cr材料性能為：密度ρ=7.85×103kg/m3；泊松比μ=0.3；屈服極限σ=4.5×108Pa；彈性模量E=2.06×1011Pa；安全系取K=1.3。

根據(jù)設(shè)計(jì)條件和基體材料屬性，在保證基體強(qiáng)度和使用穩(wěn)定性的前提下，設(shè)計(jì)目標(biāo)位基體總重最小，即總體積V≤0.153m3，內(nèi)部最大應(yīng)力σ≤3.46×108Pa。

1.2 參數(shù)化建模分析

根據(jù)給定條件確定基體初始外形尺寸，根據(jù)安裝要求確定安裝孔周邊尺寸，根據(jù)粘接砂輪塊尺寸確定外側(cè)圓周尺寸。按照設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，砂輪基體截面采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在當(dāng)前設(shè)計(jì)尺寸下，基體為最高強(qiáng)度，但質(zhì)量也最大。此時(shí)，基體設(shè)計(jì)體積V0=0.234m3。

選取初始設(shè)計(jì)模型1/4截面進(jìn)行參數(shù)化建模，模型安裝孔與外側(cè)面之間區(qū)域?yàn)檫M(jìn)行的優(yōu)化區(qū)域。

設(shè)計(jì)參數(shù)為點(diǎn)K1（xmid1，ymid1，zmid1）、K2（xmid2，ymid2，zmid2）、K3（xmid3，ymid3，zmid3），角度thetahub、thetarim。在ANSYS中，選取XY平面作為工作平面。根據(jù)初始設(shè)計(jì)模型，各參數(shù)的初始值為：K1（0. 315，0.045，0）、K2（0.492，0.057，0）、K3（0.67，0.069，0），thetahub=103°，thetarim=85°。

相應(yīng)的ANSYS流命令為：

首先，原始設(shè)計(jì)基體模型完成網(wǎng)格劃分后進(jìn)行靜態(tài)分析。通過(guò)靜態(tài)分析，可獲取基體的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)信息，為后續(xù)的模態(tài)分析提供條件。提取所有單元的應(yīng)力值，并通過(guò)計(jì)算獲得基體內(nèi)所有單元應(yīng)力的均方差，設(shè)置為參數(shù)SDEV。需要說(shuō)明的是，此參數(shù)將作為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)。然后，對(duì)原始設(shè)計(jì)基體進(jìn)行模態(tài)分析，得到基體的各階模態(tài)值。其中，F(xiàn)REQ2為模型一階模態(tài)（固有頻率）頻率值，F(xiàn)REQ2=338Hz。

1.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)改變各設(shè)計(jì)參數(shù)取值，使基體在滿足材料許用應(yīng)力、固有頻率遠(yuǎn)離激振頻率的前提下，達(dá)到基體截面面積最小（即質(zhì)量最?。┑哪繕?biāo)。經(jīng)優(yōu)化分析計(jì)算，得到各優(yōu)化序列參數(shù)值、各優(yōu)化設(shè)計(jì)序列所對(duì)應(yīng)的模型內(nèi)部應(yīng)力均值（SET--SDEV）變化曲線、模型固有頻率（SET--FREQ2）變化曲線。

最優(yōu)序列各參數(shù)值為：xmid1=0.295；xmid2=0.526；xmid3=0.676；ymid1=0.030；ymid2=0.036；ymid3=0.016；thetahub=80°；thetarim=57°。

此參數(shù)結(jié)構(gòu)形式下，砂輪基體內(nèi)部最大應(yīng)力σsmax=0.11× 109Pa＜σp，固有頻率FREQ2=243Hz＞＞28.3Hz（1700r/m激勵(lì)頻率）；體積由原始設(shè)計(jì)V0=0.234m3減小到V1=0.115m3，即經(jīng)過(guò)優(yōu)化，基體體積減少50%以上，且使用性能更優(yōu)，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

2 性能分析和三維建模

2.1 基體有限元分析

根據(jù)基體實(shí)際加工工藝的可行性，適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化序列各參數(shù)值，確定基體模型最終結(jié)構(gòu)尺寸形狀，并對(duì)基體最終設(shè)計(jì)模型進(jìn)行有限元分析，計(jì)算得到相應(yīng)的目標(biāo)參數(shù)值：模型內(nèi)部最大應(yīng)力σsmax=0.119×109Pa，固有頻率FREQ2=202Hz，體積V=0.136m3?？梢?jiàn)，各目標(biāo)參數(shù)值較最優(yōu)模型無(wú)顯著變化，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 Pro/e三維建模

將ANSYS軟件中最終確定的砂輪基體截面導(dǎo)入Pro/e軟件，進(jìn)行三維數(shù)字化建模，得到砂輪基體的三維實(shí)體模型。

對(duì)基體材料屬性進(jìn)行定義，密度ρ=7.85×103kg/m3，得到該砂輪基體的質(zhì)量為106.7kg。結(jié)合砂輪磨料層質(zhì)量，該砂輪總重將不會(huì)超過(guò)要求值1200kg。

3 結(jié)論

采用ANSYS分析軟件對(duì)砂輪基體進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析。通過(guò)分析得到砂輪基體在滿足使用條件要求的情況下，最優(yōu)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出中間厚邊緣薄的趨勢(shì)。因此，在砂輪基體設(shè)計(jì)中，應(yīng)著重考慮基體中心和邊緣厚度的合理設(shè)計(jì)，使砂輪達(dá)到最優(yōu)的使用性能。

采用Pro/E三維實(shí)體建模技術(shù)，可直觀得到砂輪基體的形狀及質(zhì)量特征等實(shí)體屬性。這樣可最大限度地避免設(shè)計(jì)缺陷出現(xiàn)，并減少產(chǎn)品試制所造成的設(shè)計(jì)成本增加。

通過(guò)數(shù)字化仿真設(shè)計(jì)的該型砂輪基體，經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，使用性能優(yōu)良。從設(shè)計(jì)效率方面來(lái)講，數(shù)字化仿真設(shè)計(jì)能夠顯著縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)難度，提高設(shè)計(jì)的可靠性；從經(jīng)濟(jì)角度上來(lái)考慮，數(shù)字化仿真設(shè)計(jì)能夠很精確地模擬實(shí)際生產(chǎn)情況，從而節(jié)約材料，降低產(chǎn)品試制成本，提高產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性。

[1]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2012.

[2]張繼春，徐斌，林波.Pro/ENGINEER Wildfire結(jié)構(gòu)分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]王呼佳，陳洪軍.ANSYS工程分析進(jìn)階實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版，2006.

[4]李景涌.有限元法[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，1999.

The Design of Large-scale Grinding Wheel Plate based on Digital Prototyping Technology

GAO Huiqiang, WANG Shuai, HU Jia
(Zhengzhou Abrasive and Grinding Research Institute Co., Ltd., Zhengzhou 450001)

In the design process of large-scale high-speed superhard materials grinding wheel steel, the design process is simulated and analyzed digitally by using Pro / e software and ANSYS. After the parametric modeling and optimization design of the grinding wheel base, the strength and dynamic characteristics of the grinding wheel substrate were analyzed, and the digital modeling of the grinding wheel base was completed by using the 3D software. Through the optimization design analysis and digital model, the quality of the grinding wheel matrix and the work of the process of matrix stress, strain and deformation of the intuitive graphics. The analysis results are used as reference for the design and manufacture of large-scale grinding wheel substrate to provide the corresponding theoretical basis.

grinding wheel matrix, ANSYS, Pro / e, optimization design, 3D modeling