無齒鋸鋸片的有限元模態(tài)分析及優(yōu)化

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院　高龍　劉月

無齒鋸鋸片的有限元模態(tài)分析及優(yōu)化

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院高龍劉月

本文使用Creo Parametric 2.0按照等比例創(chuàng)建無齒鋸鋸片三維特征模型，并使用有限元軟件ANSYS Workbench 14.0對(duì)其施加旋轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力，同時(shí)進(jìn)行模態(tài)分析，并根據(jù)分析結(jié)果合理調(diào)整鋸片外形。對(duì)新模型重新分析后，結(jié)果顯示：新型鋸片的振動(dòng)幅度、振動(dòng)強(qiáng)度與噪音都在一定程度上減小，并且其固有頻率分布更為合理。

無齒鋸鋸片；旋轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力；模態(tài)分析；優(yōu)化

前言

無齒鋸廣泛地應(yīng)用于型鋼、管材、水泥和大理石等硬質(zhì)材料的切割中。無齒鋸?fù)ㄟ^鋸片的高速旋轉(zhuǎn)，來完成對(duì)材料的切割［1］。由于無齒鋸鋸片是一個(gè)面積較大的薄板，其厚度與直徑的比例非常小，在高速旋轉(zhuǎn)條件下工作，鋸片會(huì)不可避免地產(chǎn)生振動(dòng)和偏擺問題［2］。鋸片的振動(dòng)會(huì)直接降低鋸切質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)甚至造成生產(chǎn)事故，并且鋸片振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲也是一個(gè)不可忽視的問題。因此，有必要對(duì)無齒鋸鋸片的振動(dòng)特性進(jìn)行研究，并根據(jù)其振動(dòng)特性合理地調(diào)整鋸片外形。

考慮到無齒鋸鋸片在旋轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力作用下，其模態(tài)頻率與對(duì)應(yīng)振型會(huì)發(fā)生改變［3-4］。因此，本文利用Creo Parametric 2.0軟件創(chuàng)建鋸片的三維模型，并采用ANSYS中的Workbench技術(shù)對(duì)其設(shè)置旋轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力，同時(shí)進(jìn)行模態(tài)分析，以得到鋸片相對(duì)應(yīng)狀態(tài)的固有頻率與振型，并根據(jù)其振型與固有頻率對(duì)鋸片的結(jié)構(gòu)做出調(diào)整，以期獲得較好的鋸片結(jié)構(gòu)，將其應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。

1模型的建立與分析

1.1模型的建立

為了得到較為準(zhǔn)確的分析結(jié)果，本文根據(jù)上海潤鋒公司生產(chǎn)的188干切型鋸片等比例建立鋸片的模型。考慮到在ANSYSWorkbench 14.0中建模較煩瑣，使用Creo Parametric 2.0建立模型，并保存為Workbench容易識(shí)別的.x_t的格式。鋸片的主要尺寸參數(shù)為：鋸片直徑D= 188mm，夾盤直徑d=50mm，安裝孔直徑d1=25.4mm，厚度b=2.4mm。模型如圖1所示。圖1三維模型

1.2材料屬性定義

本文根據(jù)實(shí)物選擇的材料設(shè)置模型的材料屬性，所以在ANSYS中設(shè)置模型的材料為65Mn，密度為7.85E-06kg/mm3，泊松比為0.3，楊氏模量為2E+05MPa。在Workbench 14.0應(yīng)用環(huán)境下，選Static Structure模塊與Modal模塊，并將兩者結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)，設(shè)置單位為kg、mm、s。

1.3網(wǎng)格劃分

采用多域掃掠型網(wǎng)格劃分法（Multizon）劃分鋸片網(wǎng)格，為了使分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，本文采用更精細(xì)的網(wǎng)格劃分設(shè)置，將Relevance設(shè)置為100，Relevance Center選擇為fine，同時(shí)網(wǎng)格尺寸Element Size設(shè)為4.0mm，網(wǎng)格劃分共得到33560個(gè)節(jié)點(diǎn)，4773個(gè)單元。

1.4加載約束并求解

由于在Modal模塊環(huán)境下無法添加旋轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力，所以需要在Static Structure模塊環(huán)境下進(jìn)行設(shè)置約束條件，即在安裝孔上設(shè)置Cylindrical Support約束，夾盤兩表面設(shè)置Fixed support約束，同時(shí)設(shè)置鋸片的轉(zhuǎn)速為2840r/min（鋸片實(shí)際轉(zhuǎn)速）。由于低階振型對(duì)鋸片結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響較大，且對(duì)其動(dòng)態(tài)特性也起決定性作用，因此應(yīng)當(dāng)著重研究分析鋸片的低階振動(dòng)頻率［5］。所以，提取前6階模態(tài)的固有頻率和振型作為分析對(duì)象。

1.5結(jié)果分析

由表1與圖2可看出，鋸片的前3階頻率變化不大，最多相差7Hz；從第4階開始隨著階次的增加，振動(dòng)頻率也顯著增大，且鋸片的扭轉(zhuǎn)變形幅度也不斷增加。分析結(jié)果顯示當(dāng)外界激勵(lì)接近鋸片的固有頻率時(shí)可能發(fā)生振動(dòng)的疊加，對(duì)鋸片可能造成較為嚴(yán)重的破壞。

表1　模態(tài)頻率

圖2　鋸片振型

2結(jié)構(gòu)改進(jìn)

對(duì)添加了旋轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力的鋸片進(jìn)行模態(tài)分析可以得到：鋸片的前幾階固有頻率較近，當(dāng)外界出現(xiàn)與鋸片固有頻率相近的干擾源時(shí)可能造成振動(dòng)疊加情況的發(fā)生。因此，為了避免這種情況發(fā)生，同時(shí)也盡可能地減小鋸片振動(dòng)幅度，降低噪音，故對(duì)鋸片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)形式如下：在鋸片上開四個(gè)減震孔，以期打破鋸片原有的節(jié)圓與節(jié)線，來抑制鋸片的駐波共振的產(chǎn)生（模型如圖3所示）。將新的模型重新分析導(dǎo)入Workbench 14.0中進(jìn)行重新分析：鋸片前六階振型如圖4，前六階固有頻率值如表2所示。

圖3　優(yōu)化后的模型的網(wǎng)格劃分

圖4　優(yōu)化后的鋸片振型

表2　優(yōu)化后的模態(tài)頻率

圖4表明：改進(jìn)后的鋸片相對(duì)于改進(jìn)前的鋸片的振動(dòng)響應(yīng)的振幅有了一定程度的減小。同時(shí)表2表明：改進(jìn)后的鋸片各階固有頻率明顯的減小，各階固有頻率之間間隔相差較大，當(dāng)出現(xiàn)外界干擾時(shí)，不會(huì)同時(shí)有幾個(gè)頻率相近的情況發(fā)生，也就不會(huì)發(fā)生振動(dòng)的疊加。查閱相關(guān)資料［6］發(fā)現(xiàn)同一階次的頻率越低，意味著振動(dòng)強(qiáng)度低、噪音小。分析結(jié)果在一定程度上說明對(duì)鋸片外形的調(diào)整能夠達(dá)到降低鋸片噪音、減小振動(dòng)的效果。

3結(jié)論

為了解決鋸片工作時(shí)振動(dòng)幅度過大、噪音過高的問題，本文利用CreoParametric 2.0根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的無齒鋸鋸片按照1：1的比例創(chuàng)建了無齒鋸鋸片三維模型。將其導(dǎo)入ANSYS Workbench 14.0中，對(duì)其進(jìn)行設(shè)置了預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析，根據(jù)模態(tài)分析得到固有頻率與振型，對(duì)鋸片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，即在原有結(jié)構(gòu)上開減震孔，并對(duì)新模型重新分析。對(duì)比分析結(jié)果：改進(jìn)后的鋸片質(zhì)量變輕，振動(dòng)幅度、振動(dòng)強(qiáng)度與噪音都有一定程度的減小，并且新鋸片固有頻率分布更為合理，新的鋸片結(jié)構(gòu)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也為新型無齒鋸鋸片的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

［1］孫福杰.無齒鋸的可移動(dòng)改造［J］.一重技術(shù)，2008（2）：79-80.

［2］房懷英.石材鋸切加工中圓鋸片的振動(dòng)研究［D］.華僑大學(xué)，2012.3.

［3］謝遠(yuǎn)森，李意民，周忠寧等.旋轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力條件下的葉片流固耦合模態(tài)分析［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2009，29（4）：34-37.

［4］臧勇，李同進(jìn)，陶登奎等.圓鋸片的有限元模態(tài)分析 ［J］.重型機(jī)械，2002（1）：49-52.

［5］王犇，華林.高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下汽車弧齒錐齒輪的動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析［J］.汽車工程，2011，33（5）：447-451.

［6］仇君，王成勇，胡映寧等.降噪減振結(jié)構(gòu)金剛石圓鋸片的有限元模態(tài)分析模型［J］.工具技術(shù)，2003，37（10）：25-27.

高龍，1991年出生，河北唐山人，在讀碩士研究生。