畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書金剛石圓鋸片結(jié)構(gòu)的有限元分析金剛石圓鋸片結(jié)構(gòu)的有限元分析摘要本文對(duì)節(jié)塊向基體內(nèi)延伸的金剛石圓鋸片進(jìn)行了有限元應(yīng)力、變形分析，并與普通鋸片比較，研究了不同長(zhǎng)度和周向分布數(shù)量的延伸節(jié)塊對(duì)鋸片變形、應(yīng)力的影響效果。利用ANSYS軟件，改變鋸片基體上延伸節(jié)塊延伸部分的徑向長(zhǎng)度和組合，對(duì)其進(jìn)行有限元靜力分析，得到鋸片受力、變形、應(yīng)力狀態(tài)的圖形數(shù)據(jù)，根據(jù)分析結(jié)果比較其間優(yōu)劣，找出最好的基體結(jié)構(gòu)。研究表明，合理結(jié)構(gòu)參數(shù)的延伸節(jié)塊鋸片，不僅減小了鋸片的應(yīng)力變形，改善了其應(yīng)力集中狀況，提高了鋸片的剛度，同時(shí)也減小了鋸片發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)的幾率，并使同階模態(tài)的固有頻率下降，噪聲輻射效率降低，起到降噪減振的作用。關(guān)鍵詞金剛石圓鋸片，延伸節(jié)塊，有限元，應(yīng)力分析FIILITEELEMENTANALYSISONDIAMONDSAWBLADEWITHEXTEILDINGSEGMENTSABSTRACTINORDERTOIMPROVETHERIGIDITYANDWEARRESISTANCE，DECREASETHENOISEANDVIBRATIONWHENCUTTINGSTONE，INTHISPAPER，ANALYSISONTHESTRESS，DEFORMATIONANDMODEANALYSISOFDIAMONDCIRCULARSAWBLADEWITHEXTENDINGSEGMENTSARECARRIEDOUTBYMEANSOFFINITEELEMENTANALYSISSOFTWAREANSYSTHEEFFECTOFTHELENGTHANDNUMBEROFEXTENDINGSEGMENTSONDEFORMATION，STRESSANDTHENATURALFREQUENCYARESTUDIEDCOMPAREDWITHTHATOFCONVENTIONALSAWBLADE，THESTRESSANDDEFOMATIONOFTHEDIAMONDCIRCULARSAWBLADEWITHREASONABLYPARAMETEREDEXTENDINGSEGMENTSISNOTABLYREDUCED，ANDTHEAMPLITITUDEOFVIBRATIONANDNATURALFREQUENCYOFTHESAMESTEPMODEISDECREASEDCONSEQUENTLY，THENOISERADIATIONEFFICIENCYOFTHESAWBLADEISREDUCEDKEYWORDDIAMONDCIRCULARSAWBLADE；EXTENDINGSEGMENTS；FINITEELEMENT；STRESS；MODE目錄1緒論111金剛石圓鋸片研究動(dòng)態(tài)112金剛石圓鋸片噪聲主要來(lái)源及消音措施513本課題的研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)814本課題的研究意義815課題研究方案92靜力分析1021引言1022有限元分析的基本理論10221軟件ANSYS簡(jiǎn)介10222有限元網(wǎng)格劃分的基本原則11223有限元分析軟件ANSYS的組成14224ANSYS軟件的功能1423所有分析鋸片模型1524基本參數(shù)1625ANSYS有限元靜力分析過(guò)程16251定義工作文件名和工作標(biāo)題16252定義單元類型17253創(chuàng)建有限元模型、劃分網(wǎng)格17254加載和求解2026鋸片靜力分析21261鋸片的變形分析21262鋸片的應(yīng)力分析2427結(jié)論33參考文獻(xiàn)34致謝361緒論11金剛石圓鋸片研究動(dòng)態(tài)1總論隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，我國(guó)建筑業(yè)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)業(yè)素質(zhì)不斷提高，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的支柱產(chǎn)業(yè)地位和作用日益凸顯。最新出版的中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2006年9月版數(shù)據(jù)顯示，2005年度，在全年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值GDP中，建筑業(yè)部分建筑業(yè)增加值為101338億元，比上年增長(zhǎng)166，增幅高于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)率99，占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值1839561億元的55。這是我國(guó)建筑業(yè)年度完成的增加值首次突破1萬(wàn)億元大關(guān)1。中國(guó)經(jīng)濟(jì)網(wǎng)北京2月28日訊國(guó)家統(tǒng)計(jì)局今日發(fā)布的2010年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，公報(bào)顯示，全年全社會(huì)建筑業(yè)增加值26451億元，比上年增長(zhǎng)126。全國(guó)具有資質(zhì)等級(jí)的總承包和專業(yè)承包建筑業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)3422億元，增長(zhǎng)259，其中國(guó)有及國(guó)有控股企業(yè)990億元，增長(zhǎng)3502?；炷磷鳛槌Ｓ玫慕ㄖ牧系靡詮V泛的應(yīng)用，而由此產(chǎn)生的混凝土的切割也形成了龐大的產(chǎn)業(yè)。混凝土是一種特殊的復(fù)合材料，主要由粗骨料石、細(xì)骨料砂、水泥、鋼筋、瀝青等硬相和軟相材料組成，具有抗拉強(qiáng)度低等性能特點(diǎn)，存在不連續(xù)點(diǎn)甚至裂縫等結(jié)構(gòu)缺陷?；炷粮汕邢鬟^(guò)程存在以下主要問(wèn)題31鋸切溫度高。干鋸切過(guò)程中，冷卻和容屑條件較差，導(dǎo)致金剛石節(jié)塊堵塞，鋸片溫度明顯升高，節(jié)塊中的金剛石顆粒易石墨化，產(chǎn)生非正常磨損和過(guò)早脫落鋸片的基體由于高溫易變形，鋸切摩擦力增大。2粉塵大。鋸切過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵會(huì)堵塞金剛石節(jié)塊，降低鋸切效率及鋸片的使用壽命。3噪音大。一是鋸切時(shí)鋸片高速旋轉(zhuǎn)引起空氣的壓力脈動(dòng)而產(chǎn)生齒尖噪聲二是鋸片與加工材料摩擦沖擊產(chǎn)生噪聲。鋸切噪聲是一種較嚴(yán)重的噪音污染，嚴(yán)重危害操作人員的身心健康。4加工對(duì)象成分復(fù)雜且隨機(jī)分布?；炷林泻胁煌再|(zhì)的材料，金剛石對(duì)各組分鋸切過(guò)程不同，加工機(jī)理復(fù)雜。由于鋸片在鋸切混凝土?xí)r，每個(gè)鋸齒受到的應(yīng)力都是隨時(shí)間而變化的交變應(yīng)力，因此鋸片基體的性能對(duì)混凝土加工質(zhì)量有著很大的影響。對(duì)于這些問(wèn)題，為改善混凝土的鋸切性能及提高鋸片的使用壽命，合理設(shè)計(jì)金剛石鋸片基體結(jié)構(gòu)就顯得越來(lái)越重要。2國(guó)內(nèi)研究針對(duì)目前公路用混凝土圓鋸片存在的問(wèn)題，何艷艷等人研究了刀頭胎體成分、鈷含量、金剛石、不同碳化鎢粉料以及燒結(jié)工藝對(duì)鋸片鋒利性和壽命等方面的影響，研制出了一種既鋒利又耐切的混凝土專用圓鋸片。史冬梅等通過(guò)分析金剛石圓鋸片的節(jié)塊工作面上金剛石的分布狀態(tài)和鋸片工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，求出了鋸片節(jié)塊工作面上出刃金剛石之間的距離和金剛石的運(yùn)動(dòng)軌跡，據(jù)此推導(dǎo)出單顆金剛石切削厚度的計(jì)算公式，并討論了切削厚度與鋸切參數(shù)和節(jié)塊結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。能量消耗對(duì)加工過(guò)程都起著重要的作用，李遠(yuǎn)、沈劍云等著重圍繞在不同的加工參數(shù)下鋸切花崗石時(shí)主軸電機(jī)消耗功率的變化情況，并結(jié)合比能與單顆金剛石磨粒最大切削厚度,對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)花崗石鋸切過(guò)程中的能量特征進(jìn)行量化研究。胡映寧、王成勇等人則綜合介紹了國(guó)內(nèi)外優(yōu)化金剛石圓鋸片基體及鋸齒結(jié)構(gòu)的有關(guān)成果，分析了各種防側(cè)面磨損防應(yīng)力變形、改善冷卻性能的鋸片基體及鋸齒結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、生產(chǎn)價(jià)值及存在問(wèn)題。3鋸片基體的熱處理金剛石圓鋸片的研究在基體熱處理方面也取得了較大進(jìn)展。文獻(xiàn)4在比較了65MN等溫處理和淬火回火處理后的硬度、韌性、抗彎性能和耐磨性后，認(rèn)為65MN鋸片用等溫處理取代現(xiàn)行的淬火回火處理，將不僅提高鋸片內(nèi)在質(zhì)量，延長(zhǎng)鋸片使用壽命，而且工藝省電省時(shí)。徐云珍等人5研究了大直徑65MN圓鋸片感應(yīng)加熱等溫淬火工藝及其對(duì)變形開裂的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐，得知感應(yīng)加熱等溫淬火可使鋸片硬度達(dá)HRC60，平面度3MM；加熱溫度均勻，鋸片溫差20C，鋸片使用壽命比傳統(tǒng)的鹽浴淬火提高50100，生產(chǎn)成本降低2/3。4新型的鋸片基體及鋸齒結(jié)構(gòu)6改善鋸片基體及鋸齒結(jié)構(gòu)是提高鋸片鋸切效果的重要途徑。目前國(guó)內(nèi)外的新型鋸片基體及鋸齒結(jié)構(gòu)主要有1防側(cè)面磨損的基體及鋸齒結(jié)構(gòu)在鋸片基體上按圓周方向均勻分布及徑向方向交錯(cuò)分布方式焊接硬質(zhì)顆粒，可減少巖屑流對(duì)基體側(cè)面的磨損。在鋸片基體側(cè)面噴涂一層以WCCO為主要成分的熔射層，既可防止側(cè)面磨損，又可提高鋸片剛性。采用側(cè)面向基體內(nèi)延伸節(jié)塊以防止側(cè)面磨損。節(jié)塊向基體內(nèi)延伸部分材料采用高耐磨性超細(xì)磨料，利用超細(xì)磨料良好的研削性可獲得優(yōu)質(zhì)切斷面，在防止側(cè)面磨損的同時(shí)，可增加節(jié)塊與基體的連接面積，提高二者結(jié)合強(qiáng)度。2改善應(yīng)力狀態(tài)、摩擦冷卻條件的基體和鋸齒結(jié)構(gòu)為改善鋸切過(guò)程中鋸片的熱應(yīng)力狀態(tài)，可在基體上按均勻間隔增加徑向延伸槽，以滿足基體的熱脹冷縮需要，減少基體因熱應(yīng)力引起的變形?！盎亍毙锡X、“H”形齒、“凹”形齒及類似的兩端形狀各異的節(jié)塊、“非勻質(zhì)夾層”齒以及目前應(yīng)用廣泛的三明治齒等，由于減少了齒頂與加工材料的接觸面積，改善了齒側(cè)壓力狀態(tài)，可使摩擦及發(fā)熱現(xiàn)象明顯減少，刀頭鋒利性增加。3干切鋸片的基體和鋸齒結(jié)構(gòu)通過(guò)在鋸片圓盤基體上開空冷槽孔，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)冷干切。與無(wú)貫通槽形孔的鋸片相比，該結(jié)構(gòu)鋸片的進(jìn)給速度可提高38倍，鋸片基體溫度可降低60。采用復(fù)合基體的干切鋸片，該鋸片基體上有通氣孔、傳導(dǎo)氣流用內(nèi)腔和噴氣孔，環(huán)繞氣流從通氣孔進(jìn)入內(nèi)腔，鋸片旋轉(zhuǎn)引起的離心力則使氣流從噴氣口排出，這種由鋸片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)勁氣流可使鋸片外圓上的金剛石鋸齒得到有效冷卻。4提高抗沖擊能力的基體和鋸齒結(jié)構(gòu)采用非等間距節(jié)塊的鋸片基體和分布有后角節(jié)塊的鋸片基體，可改變鋸片的振動(dòng)沖擊振動(dòng)周期，改善鋸片受力狀態(tài)，提高鋸片鋒利性，從而提高鋸片的抗沖擊能力。在節(jié)塊前方設(shè)置一帶后角的護(hù)齒。節(jié)塊為山形齒，比護(hù)齒略高，被切割材料先與節(jié)塊小面積接觸，在護(hù)齒的保護(hù)下逐漸加大接觸面積，從而顯著提高了節(jié)塊的抗沖擊能力。5降低噪聲的環(huán)保型基體及鋸齒結(jié)構(gòu)采用復(fù)合結(jié)構(gòu)基體、在基體上開槽、開孔或阻尼細(xì)縫等。此問(wèn)題將在后面章節(jié)14詳細(xì)介紹。在國(guó)外，美國(guó)的CDMOTE教授等早在六十年代初就從事薄板動(dòng)力學(xué)的研究，七十年代末開始探討木工圓鋸片的減振機(jī)理，還研究了鋸切過(guò)程的空氣動(dòng)力性噪聲、圓鋸片振動(dòng)的自適應(yīng)控制及齒形對(duì)噪聲的影響等問(wèn)題7。RFKELTIE等通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)分析轉(zhuǎn)速、厚度、溝槽直徑、深度等因素對(duì)空轉(zhuǎn)圓鋸片產(chǎn)生的空氣動(dòng)力性噪聲的影響，得出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)方程，用此方程可以預(yù)測(cè)某種幾何尺寸的鋸片輻射噪聲的水平。MSBOBECZKO發(fā)現(xiàn)基體中帶有切縫的金屬圓鋸片在切割鋁板時(shí)能降低噪聲19DB，機(jī)理在于基體中有了切縫后，從基體周邊到中心的振動(dòng)線路被切縫隔斷，基體的噪聲共鳴反彈、振動(dòng)噪聲減弱。八十年代以后對(duì)圓鋸片噪聲的研究報(bào)道較多，主要是進(jìn)一步深入研究噪聲產(chǎn)生機(jī)理，同時(shí)也研究發(fā)明了許多降噪方法。HAYASAKA等通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究了刀頭、縫隙的數(shù)量和基體的振動(dòng)對(duì)噪聲的影響，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)噪聲的產(chǎn)生受鋸片旋轉(zhuǎn)速度、刀頭數(shù)目的影響，還與基體的振動(dòng)和鋸片外圈縫隙之間的空氣流動(dòng)有關(guān)8。在國(guó)內(nèi)，文獻(xiàn)9對(duì)金剛石圓鋸片的應(yīng)力及振動(dòng)進(jìn)行了系統(tǒng)的有限元分析，認(rèn)為鋸片所受的應(yīng)力主要分布的中心孔周圍及參與切割的鋸齒上，基體受到的應(yīng)力一般都較小。對(duì)基體影響較大的是振動(dòng)及變形。鋸片的振動(dòng)隨其固有頻率的增加而加大，同時(shí)出現(xiàn)扭曲變形。鄭州磨料磨具磨削研究所通過(guò)改變鋸片基體結(jié)構(gòu)，研制出消音鋸片，消除了高音頻部分，降低噪聲510DB10。浙江永康子寧實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的燒結(jié)式圓鋸片采用了波紋形狀的刀頭形式圖11，波紋片結(jié)合干片和濕片的優(yōu)良品質(zhì)，具有切割速度快、出屑快等特點(diǎn)，因此能夠有效降低噪音。該廠在此基礎(chǔ)上，將鋸片基體也改成了加強(qiáng)波紋片圖12，加強(qiáng)波紋片基體部分獨(dú)特的波紋設(shè)計(jì)使鋸片具有鋼性強(qiáng)和排屑快等功能，因而降噪效果更佳11。鄭州三磨研究所與河南黃河金剛石有限公司分析了金剛石圓鋸片在切割過(guò)程中所產(chǎn)生噪音的危害，聯(lián)合研制了中小直徑消音金剛石鋸片，該鋸片消音效果明顯，噪音強(qiáng)度低510DB，尖銳的高音消失12。山東工業(yè)大學(xué)研究了新型直槽式節(jié)塊的金剛石圓鋸片，這種圓鋸片改善了切削接觸面，切削液易于進(jìn)入，便于容屑與排屑，有利于降低切削溫度，減小了鋸切力13。玉田縣鋸業(yè)總公司生產(chǎn)的組合式金剛石圓鋸片14，無(wú)錫通用金剛石工具有限公司生產(chǎn)的各類特殊結(jié)構(gòu)的節(jié)塊15，晶日金剛石有限公司生產(chǎn)的連續(xù)鋸片16等都取得了一定的進(jìn)展。圖11波紋片圖12加強(qiáng)波紋片綜合國(guó)內(nèi)外關(guān)于金剛石圓鋸片結(jié)構(gòu)方面的研究，我國(guó)生產(chǎn)的各種金剛石圓鋸片在各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，并取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。盡管如此，其技術(shù)水平與國(guó)外同類產(chǎn)品相比還有一定的差距，其中主要表現(xiàn)在金剛石工具應(yīng)用領(lǐng)域較窄，產(chǎn)品品種單一，質(zhì)量不穩(wěn)定；金剛石工具生產(chǎn)以及新產(chǎn)品開發(fā)、工藝技術(shù)研究不足；在金剛石工具使用過(guò)程中，基體材料使用率低；使用過(guò)程中非正常磨損、脫落、殘留的金剛石較多，使金剛石實(shí)際利用率較低，金剛石材料浪費(fèi)較多16。還有就是國(guó)內(nèi)關(guān)于金剛石圓鋸片噪聲控制的專業(yè)研究比較欠缺。針對(duì)其它圓鋸片進(jìn)行計(jì)算分析的，都是將鋸片模型簡(jiǎn)化為單一圓板，沒有考慮鋸齒、水槽的影響，有限元模型只劃分為幾十個(gè)節(jié)點(diǎn)和單元，且僅計(jì)算前幾十階模態(tài)，這樣的分析量及計(jì)算精度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求的。12金剛石圓鋸片噪聲主要來(lái)源及消音措施1噪聲主要來(lái)源17鋸片切割石料過(guò)程中產(chǎn)生噪聲過(guò)程是很復(fù)雜的，主要包括空氣動(dòng)力學(xué)噪聲，振動(dòng)噪聲，沖擊輻射噪聲，摩擦噪聲等。2消音措施鋸片在切割過(guò)程中,與石材及其它建筑材料相互摩擦及沖擊,鋸片基體產(chǎn)生劇烈振動(dòng),從而激蕩周圍空氣振動(dòng)而產(chǎn)生噪音。因此,為降低噪音,只有設(shè)法改變基體結(jié)構(gòu),減弱基體的振動(dòng),或者改用吸聲系數(shù)大的材料,或者在基體與空氣之間設(shè)置一道阻尼,減弱空氣受激振動(dòng)從而降低噪音18。還有一種方法就是對(duì)鋸片打空冷槽孔。對(duì)鋸片打孔破壞了鋸片原有的固有特性,使其剛度下降,減少鋸片振動(dòng)向夾盤的傳遞,有利于形成聲斷路,破壞聲的傳遞路線,從而降低鋸片的噪聲。但是,要通過(guò)打孔降低鋸片的噪聲,要求有一定的穿孔率,否則效果非常小19。下面介紹幾種典型的減振降噪結(jié)構(gòu)。1在基體上節(jié)塊之間等間距開消音縫及在基體中部開消音縫，然后用阻尼材料填充圖13，可起到減振降噪的作用。國(guó)內(nèi)有類似于圖11B的降噪基體20，但由于無(wú)冷卻水槽，不利于基體的散熱。ABC1基體2消音縫3節(jié)塊4消音縫圖13開消音縫的基體結(jié)構(gòu)2在鋸片上開槽或鉆孔并在其中鑲嵌高阻尼合金或非金屬材料，能減弱鋸片彈性振動(dòng)的傳播強(qiáng)度，消除高頻噪聲。3用多片鋼板通過(guò)熔焊點(diǎn)連接構(gòu)成鋸片基體21圖14A，鋼板間的間隙可大大降低噪音，并提高基體剛性，減小鋸片變形。熔焊面積在2030之間時(shí)降噪效果最佳圖14B。AB1節(jié)塊2熔焊點(diǎn)3基體鋼板圖14用多片鋼板通過(guò)熔焊點(diǎn)連接構(gòu)成的鋸片基體1基體2節(jié)塊3水槽4節(jié)塊與基體連接處5軸孔6凸部7點(diǎn)焊接8通孔9隔離板11中心圓板1213兩側(cè)圓板14凸部形狀15兩側(cè)圓板不加工部分16凹部空隙部分17連接處18微小間隙圖15采用多層復(fù)合板結(jié)構(gòu)組成的基體4采用多層復(fù)合板結(jié)構(gòu)組成基體圖15，利用板間的間隙降低噪音22。5復(fù)合結(jié)構(gòu)基體23圖16。兩塊金屬板中間用粘彈性樹脂隔開并粘結(jié)在一起，可明顯降低噪音。由于選用的粘彈性樹脂耐熱性、穩(wěn)定性較好，與普通鋸片基體相比有同樣的工作壽命和穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)也有類似結(jié)構(gòu)的鋸片。但此類鋸片的校平及應(yīng)力調(diào)整難度較大，生產(chǎn)成本較高，如處理不當(dāng)可能影響基體的軸向剛性。1鋸片2基體板3粘彈性樹脂4鋸齒圖16同粘彈性樹脂連接的復(fù)合結(jié)構(gòu)基體的降噪鋸片6鋸齒交錯(cuò)配置24，奇數(shù)齒用含金剛石的節(jié)塊，偶數(shù)齒用不含金剛石的節(jié)塊圖17。由于不含金剛石的偶數(shù)齒磨損較快，形成的冷卻空間可改善普通齒密閉式工作區(qū)的狀況，減少齒側(cè)面和齒頂與被切材料的接觸，從而減少摩擦，降低噪聲。在相同切削條件下，直徑1000MM鋸片的噪聲可由91DB降至84DB。圖18所示的非均質(zhì)鋸齒結(jié)構(gòu)也可達(dá)到類似效果。A磨損前B磨損后1含金剛石節(jié)塊2不含金剛石節(jié)塊圖17交錯(cuò)配置的鋸齒結(jié)構(gòu)圖18非均質(zhì)鋸齒結(jié)構(gòu)隨著金剛石技術(shù)的大力開發(fā)，金剛石鋸片的應(yīng)用日益廣泛，消耗量越來(lái)越大為人造金剛石的大量需求提供了堅(jiān)定的借口。人造金剛石是用超高壓高溫或其他人工方法，使非金剛石結(jié)構(gòu)的碳發(fā)生相變轉(zhuǎn)化而成的，金剛石與天然金剛石相比它具有生產(chǎn)成本低、應(yīng)用效果好的優(yōu)點(diǎn)。由于非金屬材料和其他硬脆材料如大理石，花崗石，耐火材料，玻璃陶，瓷混凝土等加工工業(yè)的發(fā)展，對(duì)鋸片、鉆頭等用金剛石質(zhì)量的要求越來(lái)越高需求量越來(lái)越大，目前世界上工業(yè)用金剛石的85以上已由人造金剛石代替，這為降低金剛石圓鋸片的制造成本打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。13本課題的研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)本文分析圓鋸片在干切時(shí)所受到的各種靜力載荷因素，利用ANSYS建立有限元模型對(duì)節(jié)塊延伸結(jié)構(gòu)干切金剛石圓鋸片進(jìn)行有限元靜力分析計(jì)算。通過(guò)有限元分析，可得比較出最好的形狀參數(shù)。本文通過(guò)有限元分析軟件ANSYS對(duì)9種不同參數(shù)的節(jié)塊延伸圓鋸片基體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析比較，從鋸片的變形、應(yīng)力狀態(tài)情況等方面對(duì)鋸片基體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究；對(duì)所研究圓鋸片與普通元鋸片進(jìn)行比較，對(duì)它們的應(yīng)力應(yīng)變方面進(jìn)行綜合分析，得出鋸片結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)，為今后改善基體結(jié)構(gòu)提供有利的理論依據(jù)及技術(shù)應(yīng)用前景。14本課題的研究意義隨著金剛石圓鋸片的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，鋸片的需求量也越來(lái)越大，人們對(duì)金剛石圓鋸片的結(jié)構(gòu)及切削性能要求也隨之不斷提高，從釬焊到激光焊，從低速到高速，從有冷卻液到干切削，到如今有針對(duì)性很強(qiáng)的混凝土、石材等材料的專用干切式金剛石圓鋸片。隨著對(duì)環(huán)保以及降低總體成本等因素的要求越來(lái)越高，使人們?cè)絹?lái)越重視通過(guò)合理設(shè)計(jì)金剛石鋸片基體結(jié)構(gòu)來(lái)降低加工成本、提高生產(chǎn)率、降低噪音污染。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家對(duì)金剛石圓鋸片鋸切石材進(jìn)行了廣泛而系統(tǒng)的研究，然而針對(duì)混凝土干切技術(shù)的研究甚少，對(duì)混凝土用干切式金剛石圓鋸片基體結(jié)構(gòu)研究也比較少。國(guó)內(nèi)外根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和一定的理論分析開發(fā)了一些新型基體結(jié)構(gòu)的鋸片，但為優(yōu)化基體及鋸齒結(jié)構(gòu)而提供的嚴(yán)密的理論依據(jù)和計(jì)算分析則相當(dāng)有限。因此，有必要加強(qiáng)對(duì)金剛石圓鋸片基體結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論進(jìn)行深入、系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)出符合實(shí)際工作要求的優(yōu)良基體結(jié)構(gòu)的金剛石圓鋸片。金剛石圓鋸片是切割混泥土的重要工具，也是消耗量最大的金剛石工具。但是在鋸切過(guò)程中，由于鋸片高速運(yùn)轉(zhuǎn)，巖屑流會(huì)對(duì)鋸片側(cè)面產(chǎn)生摩擦磨損，或由于節(jié)塊的徑向磨耗與側(cè)向磨耗不匹配，當(dāng)節(jié)塊工作層將消耗完時(shí)，會(huì)使鋸片基體與巖屑的摩擦加大，造成“夾鋸”。隨著摩擦力和鋸切力的增大，鋸片基體的磨損和變形加大，從而影響鋸片的壽命和鋸切質(zhì)量。另外，在鋸切過(guò)程中，變形加劇了鋸片的振動(dòng)，產(chǎn)生尖銳刺耳的鋸切噪音，影響人的健康。15課題研究方案就此，本文利用ANSYS軟件，改變鋸片基體上延伸節(jié)塊延伸部分的徑向長(zhǎng)度和組合，對(duì)其進(jìn)行有限元靜力分析，得到鋸片受力、變形、應(yīng)力狀態(tài)的圖形數(shù)據(jù)，根據(jù)分析結(jié)果比較其間優(yōu)劣，找出最好的基體結(jié)構(gòu)。針對(duì)普通圓鋸片在使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)金剛石節(jié)塊設(shè)計(jì)了3種不同的延伸長(zhǎng)度14、18、22MM、三種排列方式1含有12個(gè)長(zhǎng)延伸節(jié)塊，即每?jī)蓚€(gè)長(zhǎng)節(jié)塊間隔1個(gè)短節(jié)塊；2含有8個(gè)長(zhǎng)延伸節(jié)塊，即每?jī)蓚€(gè)長(zhǎng)節(jié)塊間隔2個(gè)短節(jié)塊；3含有6個(gè)長(zhǎng)延伸節(jié)塊，即每?jī)蓚€(gè)長(zhǎng)節(jié)塊間隔3個(gè)短節(jié)塊。共九種不同的節(jié)塊延伸結(jié)構(gòu)金剛石圓鋸片模型其他結(jié)構(gòu)參數(shù)同普通鋸片，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)這些模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，研究了延伸節(jié)塊不同長(zhǎng)度、不同排列順序?qū)A鋸片的變形、應(yīng)力的影響，從而得出合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為提高金剛石圓鋸片的剛度及使用壽命，降低噪音、減小振動(dòng)提供理論依據(jù)。2靜力分析21引言金剛石鋸片在鋸割過(guò)程中，受到鋸切材料中較硬礦物、荒料表面的不平度、荒料夾緊程度、鋸片夾緊程度、鋸機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)、鋸機(jī)裝配精度等因素的影響而產(chǎn)生一定的沖擊和振動(dòng)。鋸片產(chǎn)生的自激振動(dòng)和外界強(qiáng)迫振動(dòng)將使鋸片產(chǎn)生較大擺動(dòng)，從而影響了鋸片的壽命和加工質(zhì)量。隨著金剛石圓鋸片應(yīng)用范圍的日趨擴(kuò)大，加工對(duì)象的日益復(fù)雜，對(duì)其鋒利性、耐磨性、適應(yīng)性、環(huán)保性等各種性能的要求也不斷提高。普通金剛石圓鋸片在鋸切時(shí)會(huì)產(chǎn)生刺耳難忍的噪音，其強(qiáng)度常超100分貝以上。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，噪音控制已成為設(shè)計(jì)金剛石圓鋸片的重要指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外的研究資料表明，降噪型金剛石圓鋸片基體及鋸齒結(jié)構(gòu)的具體優(yōu)化方法很多，典型的金剛石圓鋸片降噪結(jié)構(gòu)之一是在基體上開細(xì)縫，然后用阻尼材料填充，已證明是一種比較簡(jiǎn)易、經(jīng)濟(jì)、可行的方法。為了提高金剛石圓鋸片基體的剛性和耐磨性，降低噪音以及減小振動(dòng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了許多特殊結(jié)構(gòu)的鋸片如節(jié)塊金剛石圓鋸片。但這些研究多以生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和非常有限的物理實(shí)驗(yàn)為主，新型鋸片研制成本高周期長(zhǎng)，理論分析較為粗略，不利于最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇。采用有限元分析手段研究金剛石鋸片的應(yīng)力、變形和模態(tài)等，是低成本高效率優(yōu)選鋸片結(jié)構(gòu)參數(shù)的有效途徑之一。部分優(yōu)選結(jié)構(gòu)經(jīng)生產(chǎn)試驗(yàn)體現(xiàn)出優(yōu)良的切削特性，為金剛石鋸片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)。本文將在分析普通圓鋸片使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出節(jié)塊延伸式金剛石圓鋸片結(jié)構(gòu)，并且對(duì)多種節(jié)塊延伸式金剛石圓鋸片及普通圓鋸片進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過(guò)比較其應(yīng)力、應(yīng)變圖，從而得出其結(jié)構(gòu)上最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，以達(dá)到提高金剛石圓鋸片的使用壽命和加工質(zhì)量的目的。22有限元分析的基本理論221軟件ANSYS簡(jiǎn)介ANSYSANALYSISSYSTEM是一種容結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學(xué)于一體的大型CAE通用有限元分析軟件，可廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利，以及日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)如WINDOWS、UNIX、LINUX、IPIX和HPUX中運(yùn)行。從PC到工作站，直到巨型計(jì)算機(jī)，ANSYS文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺(tái)上均兼容。ANSYS的第一個(gè)集成計(jì)算機(jī)流體運(yùn)動(dòng)學(xué)CCFD功能是第一個(gè)，也是惟一一個(gè)包括多物理分析功能的軟件。222有限元網(wǎng)格劃分的基本原則劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它要求考慮的問(wèn)題較多，需要的工作量較大，所劃分的網(wǎng)格形式對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模將產(chǎn)生直接影響。為建立正確、合理的有限元模型，這里介紹劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)考慮的一些基本原則。1數(shù)量有限元是一種近似計(jì)算，與實(shí)際情況有所差異，有限元分析的特點(diǎn)是網(wǎng)格劃分越細(xì)精度越高，所得的解答越迫近真實(shí)解答，然而，隨著單元數(shù)目增加的同時(shí)，求解時(shí)間和所需的計(jì)算機(jī)資源也急劇增加，為提高精度而無(wú)限劃分網(wǎng)格是沒有必要的。因此，對(duì)于同一種模型在劃分網(wǎng)格時(shí)，采用兩至三種不同精度，比較其計(jì)算結(jié)果，若模態(tài)個(gè)數(shù)相同而頻率數(shù)值差別不大時(shí)，采用最高精度所得結(jié)果26。圖21中的曲線1表示結(jié)構(gòu)中的位移隨網(wǎng)格數(shù)量收斂的一般曲線，曲線2代表計(jì)算時(shí)間隨網(wǎng)格數(shù)量的變化?？梢钥闯?，網(wǎng)格較少時(shí)增加網(wǎng)格數(shù)量可以使計(jì)算精度明顯提高，而計(jì)算時(shí)間不會(huì)有大的增加。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度后，再繼續(xù)增加網(wǎng)格時(shí)精度提高甚微，而計(jì)算時(shí)間卻有大幅度增加。所以應(yīng)注意增加網(wǎng)格的經(jīng)濟(jì)性。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以比較兩種網(wǎng)格劃分的計(jì)算結(jié)果，如果兩次計(jì)算結(jié)果相差較大，可以繼續(xù)增加網(wǎng)格，相反則停止計(jì)算。圖21位移精度和計(jì)算時(shí)間隨網(wǎng)格數(shù)量的變化在決定網(wǎng)格數(shù)量時(shí)應(yīng)考慮分析數(shù)據(jù)的類型。在靜力分析時(shí)，如果僅僅是計(jì)算結(jié)構(gòu)的變形，網(wǎng)格數(shù)量可以少一些。如果需要計(jì)算應(yīng)力，則在精度要求相同的情況下應(yīng)取相對(duì)較多的網(wǎng)格。同樣在響應(yīng)計(jì)算中，計(jì)算應(yīng)力響應(yīng)所取的網(wǎng)格數(shù)應(yīng)比計(jì)算位移響應(yīng)多。在計(jì)算結(jié)構(gòu)固有動(dòng)力特性時(shí)，若僅僅是計(jì)算少數(shù)低階模態(tài)，可以選擇較少的網(wǎng)格，如果計(jì)算的模態(tài)階次較高，則應(yīng)選擇較多的網(wǎng)格。在熱分析中，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度梯度不大，不需要大量的內(nèi)部單元，這時(shí)可劃分較少的網(wǎng)格。2網(wǎng)格疏密網(wǎng)格疏密是指在結(jié)構(gòu)不同部位采用大小不同的網(wǎng)格，這是為了適應(yīng)計(jì)算數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn)。在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位如應(yīng)力集中處，為了較好地反映數(shù)據(jù)變化規(guī)律，需要采用比較密集的網(wǎng)格。而在計(jì)算數(shù)據(jù)變化梯度較小的部位，為減小模型規(guī)模，則應(yīng)劃分相對(duì)稀疏的網(wǎng)格。這樣，整個(gè)結(jié)構(gòu)便表現(xiàn)出疏密不同的網(wǎng)格劃分形式。圖22是中心帶圓孔方板的四分之一模型，其網(wǎng)格反映了疏密不同的劃分原則。小圓孔附近存在應(yīng)力集中，采用了比較密的網(wǎng)格。板的四周應(yīng)力梯度較小，網(wǎng)格分得較稀。其中圖B中網(wǎng)格疏密相差更大，它比圖A中的網(wǎng)格少48個(gè)，但計(jì)算出的孔緣最大應(yīng)力相差1，而計(jì)算時(shí)間卻減小了36。由此可見，采用疏密不同的網(wǎng)格劃分，既可以保持相當(dāng)?shù)挠?jì)算精度，又可使網(wǎng)格數(shù)量減小。因此，網(wǎng)格數(shù)量應(yīng)增加到結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，在次要部位增加網(wǎng)格是不必要的，也是不經(jīng)濟(jì)的。圖22帶孔方板的四分之一模型劃分疏密不同的網(wǎng)格主要用于應(yīng)力分析包括靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力，而計(jì)算固有特性時(shí)則趨于采用較均勻的鋼格形式。這是因?yàn)楣逃蓄l率和振型主要取決于結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布和剛度分布，不存在類似應(yīng)力集中的現(xiàn)象，采用均勻網(wǎng)格可使結(jié)構(gòu)剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的元素不致相差太大，可減小數(shù)值計(jì)算誤差。同樣，在結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)計(jì)算中也趨于采用均勻網(wǎng)格。3單元階次許多單元都具有線性、二次和三次等形式，其中二次和三次形式的單元稱為高階單元。選用高階單元可提高計(jì)算精度，因?yàn)楦唠A單元的曲線或曲面邊界能夠更好地逼近結(jié)構(gòu)的曲線和曲面邊界，且高次插值函數(shù)可更高精度地逼近復(fù)雜場(chǎng)函數(shù)，所以當(dāng)結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則、應(yīng)力分布或變形很復(fù)雜時(shí)可以選用高階單元。但高階單元的節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，在網(wǎng)格數(shù)量相同的情況下由高階單元組成的模型規(guī)模要大得多，因此在使用時(shí)應(yīng)權(quán)衡考慮計(jì)算精度和時(shí)間。圖23是一懸臂梁分別用線性和二次三角形單元離散時(shí)，其頂端位移隨網(wǎng)格數(shù)量的收斂情況?？梢钥闯?，但網(wǎng)格數(shù)量較少時(shí)，兩種單元的計(jì)算精度相差很大，這時(shí)采用低階單元是不合適的。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量較多時(shí)，兩種單元的精度相差并不很大，這時(shí)采用高階單元并不經(jīng)濟(jì)。例如在離散細(xì)節(jié)時(shí)，由于細(xì)節(jié)尺寸限制，要求細(xì)節(jié)附近的網(wǎng)格劃分很密，這時(shí)采用線性單元更合適。圖23不同階次單元的收斂情況增加網(wǎng)格數(shù)量和單元階次都可以提高計(jì)算精度。因此在精度一定的情況下，用高階單元離散結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格數(shù)量，太多的網(wǎng)格并不能明顯提高計(jì)算精度，反而會(huì)使計(jì)算時(shí)間大大增加。為了兼顧計(jì)算精度和計(jì)算量，同一結(jié)構(gòu)可以采用不同階次的單元，即精度要求高的重要部位用高階單元，精度要求低的次要部位用低階單元。不同階次單元之間或采用特殊的過(guò)渡單元連接，或采用多點(diǎn)約束等式連接。4網(wǎng)格質(zhì)量網(wǎng)格質(zhì)量是指網(wǎng)格幾何形狀的合理性。質(zhì)量好壞將影響計(jì)算精度。質(zhì)量太差的網(wǎng)格甚至?xí)兄褂?jì)算。直觀上看，網(wǎng)格各邊或各個(gè)內(nèi)角相差不大、網(wǎng)格面不過(guò)分扭曲、邊節(jié)點(diǎn)位于邊界等份點(diǎn)附近的網(wǎng)格質(zhì)量較好。網(wǎng)格質(zhì)量可用細(xì)長(zhǎng)比、錐度比、內(nèi)角、翹曲量、拉伸值、邊節(jié)點(diǎn)位置偏差等指標(biāo)度量。劃分網(wǎng)格時(shí)一般要求網(wǎng)格質(zhì)量能達(dá)到某些指標(biāo)要求。在重點(diǎn)研究的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位，應(yīng)保證劃分高質(zhì)量網(wǎng)格，即使是個(gè)別質(zhì)量很差的網(wǎng)格也會(huì)引起很大的局部誤差。而在結(jié)構(gòu)次要部位，網(wǎng)格質(zhì)量可適當(dāng)降低。當(dāng)模型中存在質(zhì)量很差的網(wǎng)格稱為畸形網(wǎng)格時(shí)，計(jì)算過(guò)程將無(wú)法進(jìn)行。圖24是三種常見的畸形網(wǎng)格，其中A單元的節(jié)點(diǎn)交叉編號(hào)，B單元的內(nèi)角大于180，C單元的兩對(duì)節(jié)點(diǎn)重合，網(wǎng)格面積為零。圖24幾種常見的畸形網(wǎng)格223有限元分析軟件ANSYS的組成有限元法就是將實(shí)體的對(duì)象分割成不同大小、種類和小區(qū)域，根據(jù)不同領(lǐng)域的需求推導(dǎo)出每一個(gè)元素的作用方程，組合整個(gè)系統(tǒng)的元素并構(gòu)成系統(tǒng)方程組，最后將系統(tǒng)方程組求解。一般一個(gè)完整的有限元程序包括三部分前置處理PREPROCESSING、求解模塊SOLUTION和后置處理POSTPROCESSING。1通用前處理模塊PREP7前處理用于定義求解所需的數(shù)據(jù)。用戶可選擇坐標(biāo)系統(tǒng)和單元類型、定義實(shí)常數(shù)和材料特性、建立實(shí)體模型并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，控制節(jié)點(diǎn)和單元，進(jìn)行求解精度檢查及修正、在幾何模型或有限元模型上加載。2求解模塊SOLUTION前處理階段完成建模以后，用戶可以在求解階段獲得分析結(jié)果。在此階段，用戶可以定義分析類型、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷步，然后開始有限元求解。3后處理模塊POST1和POST26后處理模塊可以通過(guò)友好的用戶界面獲得求解過(guò)程的計(jì)算結(jié)果并對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算，這些結(jié)果可能包括位移、溫度、應(yīng)力、速度及熱流等，輸出形式有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。由于后處理階段完全同ANSYS前處理和求解階段集成在一起，故求解結(jié)果已保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中且能立即查看。224ANSYS軟件的功能1基本功能ANSYS軟件的基本功能有1結(jié)構(gòu)靜力分析2結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析3結(jié)構(gòu)非線性分析4動(dòng)力學(xué)分析5熱分析6電磁場(chǎng)分析7計(jì)算流體分析8聲場(chǎng)分析9電壓分析2高級(jí)功能ANSYS軟件的高級(jí)功能包括1多物理場(chǎng)耦合分析1熱應(yīng)力分析2熱結(jié)構(gòu)分析3熱電分析4熱流體分析5磁熱分析感應(yīng)加熱6磁結(jié)構(gòu)分析7感應(yīng)振蕩分析8電磁電路分析9電結(jié)構(gòu)分析10電、磁分析11電磁熱分析12電磁熱結(jié)構(gòu)分析13壓力結(jié)構(gòu)分析14速度溫度壓力分析15穩(wěn)態(tài)流固體分析2優(yōu)化設(shè)計(jì)3拓?fù)鋬?yōu)化4單元生死5可擴(kuò)展功能UPF23所有分析鋸片模型所有分析鋸片類型如下說(shuō)明本文將以I14,12、I14,8、I14,6、I18,12、I18,8、I18,6、I22,12、I22,8、I22,6分別表示延伸部分長(zhǎng)節(jié)塊的徑向長(zhǎng)度為14、18、22和長(zhǎng)節(jié)塊數(shù)量為12、8、6的鋸片結(jié)構(gòu)，以后不再說(shuō)明。（B）I14,12（C）I14,8（D）I14,6（E）I18,12（F）I18,8（G）I18,6HI22,12（A）普通（I）I22,8（J）I22,6圖25所有分析鋸片類型24基本參數(shù)金剛石圓鋸片各部分的材料特性見表21，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表22，延伸節(jié)塊參數(shù)見表23。表21金剛石圓鋸片各部分的材料特性楊氏模量PA泊松比密度（KG/M2）基體2E11037800節(jié)塊56E110258100表22金剛石圓鋸片結(jié)構(gòu)參數(shù)單位MM鋸片直徑基體直徑內(nèi)孔直徑齒數(shù)基體厚度水槽斜度35033650242100水槽底圓半徑水槽口寬節(jié)塊厚度節(jié)塊長(zhǎng)度水槽深度4334015表23節(jié)塊延伸鋸片的結(jié)構(gòu)參數(shù)長(zhǎng)延伸節(jié)塊徑向長(zhǎng)MM141822數(shù)量簡(jiǎn)稱數(shù)量簡(jiǎn)稱數(shù)量簡(jiǎn)稱12I14,1212I18,1212I22,128I14,88I18,88I22,8延伸節(jié)塊周向分布6I14,66I18,66I22,6短延伸節(jié)塊徑向長(zhǎng)MM5節(jié)塊延伸部分的厚度MM26水槽深度MM85水槽底弧直徑MM3水槽兩側(cè)面的傾斜角度100長(zhǎng)延伸200短延伸25ANSYS有限元靜力分析過(guò)程251定義工作文件名和工作標(biāo)題1設(shè)置作業(yè)名、分析標(biāo)題并指定分析范疇和單位制1選取UTILITYMENUFILECHANGEJOBNAME，設(shè)置作業(yè)名。2選取UTILITYMENUFILECHANGETITLE，設(shè)置分析標(biāo)題。此非強(qiáng)制要求，但ANSYS推薦使用作業(yè)名和分析標(biāo)題。作業(yè)名是用來(lái)識(shí)別ANSYS作業(yè)的。當(dāng)為某項(xiàng)分析定義了作業(yè)名，作業(yè)名就成為分析過(guò)程中產(chǎn)生的所有文件名的第一部分。通過(guò)為每一次分析給定不同的作業(yè)名，可確保文件不被覆蓋。3選取MAINMENUPREFERENCE，點(diǎn)擊STRUCTURE項(xiàng)，指定分析范疇為結(jié)構(gòu)分析。4UNITS命令，定義單位制。ANSYS沒有指定系統(tǒng)單位，除了磁場(chǎng)分析外，可使用任一種單位制，只要保證輸入的所有數(shù)據(jù)都是使用同一單位制里的單位即可。252定義單元類型1定義單元類型選取MAINMENUPREPROCESSORELEMENTTYPEADD/EDIT/DELETE，采用單元類型SOLID45。在ANSYS單元庫(kù)中有超過(guò)100種的不同單元類型，每個(gè)單元類型有一個(gè)特定的編號(hào)和一個(gè)標(biāo)識(shí)前綴。選擇單元類型時(shí)必須弄清楚其適用范圍。對(duì)于普通結(jié)構(gòu)的金剛石圓鋸片，可視為平面應(yīng)力情況考慮，選用板殼單元SHELL63。SHELL63為4節(jié)點(diǎn)線性單元。但對(duì)于本文分析的節(jié)塊延伸結(jié)構(gòu)金剛石圓鋸片的延伸節(jié)塊其厚度與基體和節(jié)塊不同，所以用實(shí)體單元才能表示出其真實(shí)結(jié)構(gòu)，單元類型選SOLID45。SOLID45為八節(jié)點(diǎn)塊單元。2定義單元實(shí)常數(shù)由于所建模型采用實(shí)體建模，所以無(wú)需定義單元實(shí)常數(shù)。3定義材料特性選取MAINMENUPREPROCESSORMATERIALPROPSMATERIALMODELSSTRUCTURALLINERELASTICISOTROPIC，在彈出的對(duì)話框中輸入表21中相應(yīng)各值，定義材料特性。接下來(lái)給實(shí)體模型分配單元屬性，命令MAINMENUPREPROCESSORMESHINGMESHATTRIBUTESDEFINEDEFAULTATTRIBS253創(chuàng)建有限元模型、劃分網(wǎng)格1創(chuàng)建有限元模型生成確切描述物理原型的特征的數(shù)學(xué)模型，是有限元分析中的關(guān)鍵步驟。ANSYS有兩種創(chuàng)建有限元模型的方法實(shí)體建模和直接生成。所謂直接生成法，即手工定義每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置和每個(gè)單元的連接。對(duì)于實(shí)體建模，先描述模型的幾何形狀，然后指示ANSYS自動(dòng)對(duì)幾何實(shí)體進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑a(chǎn)生節(jié)點(diǎn)和單元，可以控制由程序生成的單元的大小和形狀。本文采用實(shí)體建模方法。普通鋸片的模型實(shí)質(zhì)上是材料為65MN鋼的一塊空心圓板，板上開有水口。節(jié)塊延伸結(jié)構(gòu)圓鋸片的建模，由于延伸節(jié)塊的存在，必須建成有厚度的薄板結(jié)構(gòu)。在不考慮焊接強(qiáng)度即認(rèn)為延伸節(jié)塊在鋸切過(guò)程中不會(huì)脫落的情況下用布爾運(yùn)算將其與基體粘結(jié)在一起，即認(rèn)為鋸片基體和延伸節(jié)塊是一個(gè)不同材料的剛性整體。取鋸片直徑為350MM，24齒的圓鋸片進(jìn)行分析，形狀參數(shù)按照金剛石鋸片的標(biāo)準(zhǔn)建立，具體見表23，所建模型部分見圖26。圖26節(jié)塊延伸鋸片模型簡(jiǎn)略步驟如下1選取MAINMENUPREPROCESSORMODELINGCREATELINESCIRCLEFULLCIRCLE根據(jù)需要建立多個(gè)圓弧線。2選取MAINMENUPREPROCESSORMODELINGCREATEKEYPOINTONLINE創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)。3選取MAINMENUPREPROCESSORMODELINGCREATEARCSTHROUGH3KPS創(chuàng)建弧線。4選取MAINMENUPREPROCESSORMODELINGCREATEAREABYLINE創(chuàng)建面，再通過(guò)一系列布爾運(yùn)算生成完整的2D模型。5選取MAINMENUPREPROCESSORMODELINGOPERATEBOOLEANSEXTRUDEAREASBYXYZOFFSET,生成實(shí)體。6選取MAINMENUPREPROCESSORMODELINGOPERATEBOOLEANS,通過(guò)一系列的布爾操作創(chuàng)建完整的3D模型。7選取MAINMENUPREPROCESSORMESHINGMESHATTRIBUTESPICKEDVOLUMES，給模型的不同部分分配單元屬性。2網(wǎng)格劃分ANSYS提供了多種自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，自適應(yīng)精度控制可為不同零件、不同區(qū)域指定不同的重要級(jí)別或計(jì)算精度，程序可自動(dòng)通過(guò)計(jì)算判斷精度網(wǎng)格細(xì)分計(jì)算的循環(huán)迭代達(dá)到預(yù)期的精度，其間程序可自動(dòng)識(shí)別高應(yīng)力區(qū)、高溫度梯度區(qū)，并對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。本文若使用SMARTSIZING進(jìn)行網(wǎng)格自由劃分，程序自動(dòng)控制單元大小，SIZELEVEL10。如果象普通鋸片，選PICKALL各模型均劃分為70萬(wàn)左右個(gè)單元。將給分析計(jì)算帶來(lái)很大的麻煩。因?yàn)閱卧螤詈途W(wǎng)格劃分類型的設(shè)置共同影響網(wǎng)格的生成，而且SMARTSIZING算法根據(jù)待劃分的面或體的所有線估算單元邊長(zhǎng)。為此將模型中的體單元分別劃分，最后每個(gè)模型劃分約10萬(wàn)個(gè)單元左右。網(wǎng)格劃分情況如圖如圖27所示。（A）普通鋸片（B）節(jié)塊延伸鋸片圖27網(wǎng)格劃分從圖27可清楚的看到兩種鋸片的有限元模型以及網(wǎng)格劃分的情況，ANSYS模型與實(shí)際情況基本符合，網(wǎng)格密度適中，這將有效地減小網(wǎng)格劃分引起的誤差，使得計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際情況。254加載和求解1確定約束鋸片在鋸切過(guò)程中只有繞軸向方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，在其它自由度上都為固定，即沒有位移，而轉(zhuǎn)動(dòng)由電機(jī)帶動(dòng)，在理想情況下為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，也可認(rèn)為是受約束的，因此，內(nèi)孔整個(gè)圓環(huán)面積受到全約束。MAINMENUPREPROCESSORLOADSDEFINELOADSAPPLYSTRUCTURALDISPLACEMENTONAREAS2載荷的施加根據(jù)廣東工業(yè)大學(xué)的測(cè)試結(jié)果當(dāng)切深為20MM，鋸片轉(zhuǎn)速為1000N/MIN時(shí)，切向力FT257N，徑向力FN59N。這時(shí)同時(shí)工作齒數(shù)兩個(gè)齒，則可認(rèn)為是兩個(gè)齒承受了所有的壓力，受力面積為刀齒底面和側(cè)面，如圖28切向力FT徑向力FN圖28刀齒受力模型經(jīng)計(jì)算可得PTFT/AT/2PT57366071PAPNFN/AN/2PN4609375PA式中AT為刀齒側(cè)面受力面積，AT刀齒高度節(jié)塊厚度000700032AN為節(jié)塊底面受力面積，AN節(jié)塊長(zhǎng)度節(jié)塊厚度00400032在內(nèi)孔處施加全約束進(jìn)行有限元計(jì)算。鋸切過(guò)程中的受力描述，本文將載荷考慮均布載荷，考慮了水口和刀頭對(duì)整個(gè)鋸片的影響，這將提高金剛石圓鋸片的有限元分析的準(zhǔn)確性，為今后的研究指出一條新的途徑。有限元方法的一般公式為RK上式中K整體剛度矩陣；結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移向量；R結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)力向量。ANSYS在計(jì)算的時(shí)候能夠按照模型網(wǎng)格分布情況自行運(yùn)算。根據(jù)金剛石圓鋸片鋸切時(shí)的實(shí)際加工變形情況，選擇“SMALLDISPLACEMENTSTATIC”，即靜態(tài)小變形的情況符合有限元解題類型。選取MAINMENUPREPROCESSORLOADSDEFINELOADSAPPLYSTRUCTURALPRESSUREONAREAS。3求解選取MAINMENUSOLUTIONANALYSISTYPENEWTYPE在彈出的對(duì)話寬框中指定分析類型為STATIC，接下來(lái)選擇MAINMENUSOLUTIONSOLVECURRENTLS，開始求解。26鋸片靜力分析261鋸片的變形分析普通鋸片和部分節(jié)塊延伸鋸片的變形分析情況如圖29所示。表24為各種結(jié)刀齒構(gòu)的變形最大值的比較情況。由圖29和表24可以看出節(jié)塊延伸鋸片與普通圓鋸片相比，其最大變形得到了很大的改善。在相同載荷作用下，節(jié)塊延伸鋸片的切向變形比普通鋸片減小45以上，大部分鋸片的徑向變形都比普通鋸片減小了10以上，Z方向的變形也減小近30，有效地減小了鋸片軸向的變形。但I(xiàn)14，6鋸片在Z方向的變形與普通鋸片相差不多，I14，8、IL8，6在Z方向的變形減少也不太明顯，I22，12和I22，6鋸片Y方向的變形較小。所以上述前三種節(jié)塊延伸鋸片在優(yōu)選結(jié)構(gòu)參數(shù)中可以排除。而I18，12、I18，8、I22，12、I22，8和I22，6五種鋸片減小變形的效果相當(dāng)顯著，而且這些鋸片的變形分布要比普通鋸片小且均衡。這表明結(jié)構(gòu)合理的節(jié)塊延伸鋸片剛度大大增強(qiáng)。因此可以從這五種變形小的鋸片中進(jìn)一步篩選、優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。普通X方向變形圖普通Y方向變形圖普通Z方向變形圖I14,12X方向變形圖I14,12Y方向變形圖I14,12Z方向變形圖I14,8X方向變形圖I14,8Y方向變形圖I14,8Z方向變形圖I14,6X方向變形圖I14,6Y方向變形圖I14,6Z方向變形圖I18,12X方向變形圖I18,12Y方向變形圖I18,12Z方向變形圖I18,8X方向變形圖I18,6X方向變形圖I18,8Y方向變形圖I18,6Y方向變形圖I18,8Z方向變形圖I18,6Z方向變形圖I22,12X方向變形圖I22,12Y方向變形圖I22,12Z方向變形圖I22,8X方向變形圖I22,8Y方向變形圖I22,8Z方向變形圖I22,6X方向變形圖I22,6Y方向變形圖I22,6Z方向變形圖圖29普通鋸片與節(jié)塊延伸結(jié)構(gòu)鋸片三個(gè)方向的變形圖表24普通鋸片與節(jié)塊延伸結(jié)構(gòu)鋸片變形最大值的比較單位M鋸片類型X向變形Y向變形Z向變形XYZI14,12555X106673X106148X107466171600I14,8555X106704X106308X107466133168I14,6561X106681X106352X107461161486I18,12552X106706X106141X107470131619I18,8560X106714X106228X107462121384I18,6560X106714X106310X107462121162I22,12281X106382X106090X107478530757I22,8554X106707X106143X107467129614I22,6453X106585X106152X107564280590普通鋸片104X106812X106370X107。普通鋸片的變形值應(yīng)力值一特殊鋸片的變形值應(yīng)力值普通鋸片的形值應(yīng)力值注上式不考慮正負(fù)號(hào)，IX、Y、Z262鋸片的應(yīng)力分析普通X方向應(yīng)力圖普通Y方向應(yīng)力圖普通Z方向應(yīng)力圖I14,12X方向應(yīng)力圖I14,12Y方向應(yīng)力圖I14,12Z方向應(yīng)力圖I14,8X方向應(yīng)力圖I14,8Y方向應(yīng)力圖I14,8Z方向應(yīng)力圖I14,6X方向應(yīng)力圖I14,6Y方向應(yīng)力圖I14,6Z方向應(yīng)力圖I18,12X方向應(yīng)力圖I18,12Y方向應(yīng)力圖I18,12Z方向應(yīng)力圖I18,8X方向應(yīng)力圖I18,8Y方向應(yīng)力圖I18,8Z方向應(yīng)力圖I18,6X方向應(yīng)力圖I18,6Y方向應(yīng)力圖I18,6Z方向應(yīng)力圖I22,12X方向應(yīng)力圖I22,12Y方向應(yīng)力圖I22,12Z方向應(yīng)力圖I22,8X方向應(yīng)力圖I22,8Y方向應(yīng)力圖I22,8Z方向應(yīng)力圖I22,6X方向應(yīng)力圖I22,6Y方向應(yīng)力圖I22,6Z方向應(yīng)力圖圖210普通鋸片與節(jié)塊延伸結(jié)構(gòu)鋸片三個(gè)方向的應(yīng)力圖表25各種鋸片的最大應(yīng)力值比較意義同上鋸片類型X向應(yīng)力Y向應(yīng)力Z向應(yīng)力XYZI14,12866108196213275524I14,8645995252414332388I14,6700115260364228369I18,12791121353281188143I18,8830110284245262311I18,6768117237302215425I22,1210311834564215163I22,8871971360208348126I22,693510326515309357普通鋸片110149412普通第一主應(yīng)力圖普通第三主應(yīng)力圖I14,12第一主應(yīng)力圖I14,12第三主應(yīng)力圖I14,8第一主應(yīng)力圖I14,8第三主應(yīng)力圖I14,6第一主應(yīng)力圖I14,6第三主應(yīng)力圖I18,12第一主應(yīng)力圖I18,12第三主應(yīng)力圖I18,8X第一主應(yīng)力圖I18,8X第三主應(yīng)力圖I18,6第一主應(yīng)力圖I18,6第三主應(yīng)力圖I22,12第一主應(yīng)力圖I22,12第三主應(yīng)力圖I22,8第一主應(yīng)力圖I22,8第一主應(yīng)力圖I22,6第一主應(yīng)力圖I22,6第三主應(yīng)力圖圖211普通鋸片與節(jié)塊延伸結(jié)構(gòu)鋸片第一、第三主應(yīng)力圖表25各種鋸片的第一、第三主應(yīng)力值比較鋸片類型第一主應(yīng)力1MPA第三主應(yīng)力3MPA13MPA13I14,12114117231157I14,8116106222190I14,6125120245106I18,12125111224182I18,813110924124I18,614610425885I22,12146116262437I22,8124113237135I22,6138883228168普通鋸片179950274鋸片基體材料為65MN，它的安全許用應(yīng)力270MPA，根據(jù)第三強(qiáng)度理論13，研究鋸片受到的第一、第三主應(yīng)力大小以及應(yīng)力集中的情況能夠判斷鋸片受力情況的優(yōu)劣。圖211為普通鋸片和節(jié)塊延伸鋸片的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力的分布云圖。表25為普通鋸片和節(jié)塊延伸鋸片的X、Y、Z三個(gè)方向的應(yīng)力最大值以及第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力最大值的分析結(jié)果。從應(yīng)力分布云圖看出節(jié)塊延伸鋸片的應(yīng)力分布要比普通鋸片均勻得多，高應(yīng)力區(qū)大大縮小。從表25看出九種節(jié)塊延伸鋸片的13MAX的值均比普通鋸片減小了10以上，其中，以I14，8和I18，12結(jié)構(gòu)的鋸片效果最為明顯，但I(xiàn)22，12、I22，8和I22，6三種鋸片在某一方向的應(yīng)力與普通鋸片相當(dāng),可在優(yōu)選結(jié)構(gòu)參數(shù)中排除這幾種結(jié)構(gòu)。節(jié)塊延伸結(jié)構(gòu)鋸片的第一、第三主應(yīng)力最大值所在處的局部放大圖如圖212。圖212表明第一、第三主應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在水槽的底端，這說(shuō)明水槽底端雖然有過(guò)渡圓弧的保護(hù)，但是仍然無(wú)法避免應(yīng)力集中的情況。表26為I18，8鋸片和普通鋸片的大部分區(qū)域應(yīng)力值比較情況。由表26可知節(jié)塊延伸鋸片的最大應(yīng)力值與大部分區(qū)域應(yīng)力均要比普通鋸片減小30以上，這說(shuō)明節(jié)塊延伸圓鋸片有效減小了應(yīng)力集中，改善了鋸片的應(yīng)力分布，對(duì)