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金刚石圆锯片模分析
Modal analysis of diamond circular saw blade
袁哲,曹瑞元,赵民
YUAN Zhe, CAO Rui-yuan, ZHAO Min
(沈阳建筑大学交通与机械学院,沈阳110168)
摘要:金刚石园锯片锯切过程中,普遍存在着严重的振动回题。为研究金刚石圆锯片的动态性能,通
过 ANSYS有限元分析软件建立锯片三维参数化模型,井利用不同的有限元网格划分方法分别
进行模态分析,得到固有频率和振型,最后通过采用锤击法对金刚石圆锯片进行模态试验。对
比多组不同直径的锯片有限元分析结果和模态试验结果可见,不同的网格划分方法对有限元
模态分析结果影响较大,而映射分网的有限元模态分析结果更接近试验结果。利用该模型可
代替试验对金刚石园锯片进行参数化模态分析,为进一步研究锯片的振动可靠性和稳定性问题
打下了基础。
关键词:有限元分析;模态分析;固有频率;金刚石圆锯片
中图分类号:TH113
文献标识码:A
文章编号:1009-0134(2013)09(上)-0147-03
Doi:10.3969/j.lssn.1009-0134.2013.09(上).42
0引言
式(1)中f(t)为激励矢量;M、K、C分别为锯
金刚石圆锯片加工大理石、花岗岩、陶瓷等片结构质量、刚度和阻尼矩阵,为时间。当(0-=0
脆硬性材料的过程是一种高速的磨削加工,锯时,忽略锯片阻尼的影响,微分方程变为
片的动态特性与机床性能有直接关系,提高其动
M+KX=0
2
态特性对提高机床的稳定性、加工精度、加工效
锯片自由振动时,结构上各点作简谐振动,
率、刀具寿命和可靠性有着重要的意义。金刚石各接点的位移为:
圆锯片由于其直径和厚度的比值非常大,并且在
X=Φ-e
(3
高速旋转下工作,在锯切加工过程中存在严重振
由式(2)和式(3),可得:
动问题,导致缩短锯片的使用寿命,产生噪音,
(K-w0M)=0
(4)
影响操作者的健康。因此,有必要对锯片进行模
求出特征值o2和特征向量Φ。由f=o/2ェ求
态分析,了解其动态特性,以便进更有效的优化
得系统各阶固有频率,其对应的特征向量即为相
金刚石圆锯片的结构,达到减小噪音和振动的效
应的模态振型。
果。在追求环保降噪的今天,具有很高的研究2金刚石圆锯片有限元模态分析
价值。利用 ANSYS软件分别采用自由分网和映2.1建立三维模型
射分网方式对金刚石圆锯片进行参数化有限元建
对不同尺寸的锯片进行模态分析需要建立参
模,分析不同直径金刚石圆锯片的固有频率,并
数化模型。利用 ANSYS中的APDL语言建立金刚
采用模态试验验证有限元分析的正确性,从而可
石圆锯片的参数化模型,通过改变锯片的参数,
避免在外界冲击作用下产生的激励频率与固有频
可快速绘制一个新的金刚石圆锯片模型。
率相近时发生共振,提高金刚石锯片的使用寿命
和锯切质量。
2.2定义单元材料属性
由于金刚石圆锯片结块和基体的材料和厚度
1模态分析理论
均不相同,为了与实际的金刚石圆锯片相符合,
多自由度的结构系统的动态特性可由n阶矩金刚石圆锯片有限元模型中单元类型采用三维20
阵微分方程描述
节点 SOLID95号实体单元,可以较精确地拟合实
M+CX+KX=/(0)
(1)体边界并保证结果足够精确。金刚石圆锯片主要
收日期:2013-06-18
基金顾目:国家自然科学基金资助项目(51105258);住房和城乡建设部研究开发项目(2012-K3-41)
作者简介:袁哲(1977-),男,讲师,博士,主要研究方向为可靠性理论
第35卷第9期2013-09(上)【147
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判出自化
包括两种材料,一种是基体材料65Mn,另一种是
表1有限元仿真下频率值H2
金刚石结块的材料Cu+Co+Ni合金。
自由网格下的频率
映射网格下的频率
2.3网格划分
C 350mm (400mm d 500mm 350mm 400mm 500mm
1阶392.73283.10175.7669,3
41.2
对于有限元分析来说,网格划分是其中最关键
32.7
2阶417.6290.10178.6779,1,581,3
的一个步骤,网格划分的好坏直接影响到解算的精3阶4834350462345618191436
70.6
度和速度,而且不同的结构和求解方法应该对应4阶941.5766393435.17267222341618
不同的网格划分方式
5阶959.16676.70464.63357.8
97.3289.3
2.3.1自由网格划分
6阶1251.9950.46603.86485.7403.7326
7阶2139.61408.41022.4516.3483
自由网格划分是利用 ANSYS的智能尺寸控制
8阶2166.41497.81036.0642.3542.3438.8
技术来自动控制网格的大小和疏密分布,它在面骱31323221613947897683.354
上可以自动生成三角形或四边形网格,在体上自10阶320182974816561827178066094
动生成四面体网格。自由网格划分后的有限元模
型如图1所示。
3模态试验方法
模态试验分析是结构动力学中一种非常重要
的分析方法。在结构上通过人为施加某种激励或
者直接利用自然激励,得到响应的数据,然后采
用数据处理和数学分析方法,将线性定常系统振
动微分方程组中的物理坐标转换为模态坐标,化
简方程组成为一组以模态坐标及模态参数描述的
图1自由网格划分的锯片图2映射网格划分的锯片
独立方程,以便求出表征结构动力特性的系统的
有限元模型
有限元模型
模态参数。此也为结构动力学的第一类逆问题。
2.3.2映射网格划分
通过模态试验分析,关键是得到系统的固有频率
映射网格划分是是利用布尔运算功能,将其切
和振动模态等模态参数。
割成一系列四面体、五面体或六面体,然后对这些3.1实验方案
切割好的体进行映射网格划分。采用四面体映射
网格划分方法,划分后的有限元模型如图2所示。
2.4施加约束并求解
模态分析中主要是自由模态和约束模态,由
于模态实验中是将锯片固定安装在机床上,所以
在进行有限元模态分析时应采用约束模态。金刚
石圆锯片其约束主要是在圆盘中心孔处施加全位
图3测点布置分布图图4 DHIDAS信号测试分析系统
移约東,限制圆锯片中心孔的6个自由度。按照
本实验采用中350mm,p400mm,500mm
Block- Lanczos方法进行10阶模态分析,设置频率金刚石锯片进行模态实验,測点布置如图3所示。
范围为0~100009z,并进行求解
实验中所需要的设备主要有力锤(产生激励)
2.5模态分析结果
力传感器、加速度传感器、电荷放大器(机械量
由于低阶振型的能量较大,对锯片结构的动经过放大和微积分变换转