减振刀杆系统的有限元分析

I 减振刀杆系统的有限元分析 摘要： 刀具是机械加工制造中经常用到的工具，对机械加工制造非常重要，对刀杆进行减 振 处理设计，可以更好地对机床保护，提高加工精度，所以分析减振刀杆的特性就十分重要。本文通过使用有限元软件用有限元法，分析了减振刀杆和非减振刀杆的特性和前十种重要模态。普通刀杆为实心刀杆，减振刀杆为空心刀杆和内部安置减震块的方法两种刀杆，通过改变不同的参数，分别对两种刀杆进行静态和模态分析，得到的静刚度和特征频率和相对应的阵型云图，进行对比分析，可以得出不同的减振效果，从而对减振刀杆进行优化。 关键词： 减振刀杆；静刚度；模态分析；固有频率； of of is be to so is In by of is as is as of of by of so as to 录 摘要 I 录 绪论 I 景和意义 1 内外研究现状 错误 !未定义书签。 外发展现状 1 内发展现状 1 要研究能容 1 2 有限元及 3 述 3 限元的提出和应用 3 限元的发展 3 限元法基本步骤 3 限元发展趋势 5 5 件介绍 5 加载荷 6 章小结 7 3 非减振刀杆有限元分析 8 8 构介绍 8 型设计 8 态分析 9 态分析 11 结 17 4 减振刀杆有限元分析 18 述 18 心刀杆静刚度 18 心刀杆模态 20 置式刀杆静刚度 28 置式刀杆模态 30 结 37 5 总结和展望 38 结 38 38 参考文献 39 致谢 40 附录 41 附录一 实心刀杆 41 附录二 空心刀杆 42 附录三 44 附录四 求解和后处理 47 V 1 1 绪 论 景和意义 国家的发展离不开机械，机械制造行业占有很重要的地位。 在机械加工过程中，由于战速非常高，极其微小的不稳定都会导致加工系统的不稳定，使刀具磨损或者加工表面不能达到要求，不能满足各种工作要求，尤其是使用直径较小的刀具时，刀具的振动更加突出，产生的不稳定也更加明显，而且此类刀具造价都比较贵，无形之中加大了制造行业的难度和加工的难度，刀具的变形有道具的跳动、本身的变形和加工过程中收到的力等。在不一样的工作环境下收到的环境的影响也不一样，了解刀具的特征频率，对此类设计的制造和优化都有很大的帮 助，也可以提前预测在使用过程中会遇到什么养的困难和问题。 一但此设计成功，并把这类刀杆用于我国的机械制造中，能大大提高产品的质量和企业的生产率，可以促进我国在这一领域进入先进行列。 外发展现状 在国外市场中，日本三菱公司和东芝公司已经有系列化的产品。 东芝公司减振刀杆是在刀具的两侧切除一部分，再嵌入刚度和强度大的材料，来提高刀杆的静刚度。这种刀杆的原理简单，利用镶嵌在杆两侧的硬质材料和刀体粘结程度是影响刀杆质量。 国外 振刀杆模型。 够有效地抑制高达 10000赫兹的高频率颤振。 内发展现状 目前国内很多减振刀具都处于研究阶段，都是采用的增加刀体静刚度的方法。但是大部分的减振措施都是在工艺上进行改良或是在加工过程中采用一些技巧。也有学者利用 要研究内容 2 我的课题是对某一种减振刀杆进行有限元分析，并分析前十种重要的模态。利用有限元分析软件进行模型构造，模拟仿真以及应力分布等很多信息的研究，进 一步为结构的设计和优化提供更加全面的信息，从中也可以看出有限元分析在机械的生产制造中的重要性。 第一章是绪论，主要介绍背景和意义、国内外研究现状。 第二章是有限元及 要包括有限元方法的发展和应用、 第三章是非减振刀杆的有限元分析，主要包括刀杆系统的结构介绍，分析刀杆的基本组成和基本尺寸，以及每一部分的作用；非减振刀杆的参数化建模、静态分析和模态分析，分别得到静刚度、固有频率以及各阶莫泰的振型。 第四章是减振刀杆的有限元分析，主要包括两种减振刀杆的参数化建模、静态分 析和模态分析，分别得到静刚度、固有频率以及各阶莫泰的振型，并且进行结果的对比。 最后一部分为结论，通过对以上的分析对比，得出合理的结论。 3 2 有限元及 述 有限元分析 (个软件是美国 司致力研发的集可以分析结构、流体、电场、磁场、声场于一体的大型通用有限元分析软件。现在已经非常流行，广泛应用造船、国防、土木等行业。 限元的提出和应用 科学技术的迅速发展，人们对有限元的认识越来越深刻，这一技术越来越得到重视，而且，传统的计算方法会有 很多的疏忽和错误，还会把几何的结构边界过于简化，导致计算结果与实际偏差过大，在这种情况下，似的有限元分析法有了更大的发展空间。 限元的发展 1943 年， 戒提出了有限元法的基本思想。他是第一个尝试着用定义在三角形区域上得分片连续函数与最小位能结合的原理，来解决扭转问题的人。这算是最早提出有限元法思想的人，历史上的第一次。 100 年后，电子计算机的普及，有限元法发展速度得到提升，已经应用于很多领域，由弹性力学扩展到了空间问题、板壳问题等等。 在实际中，设计的结果要经过一系列的分析来验证是 否满足要求，有限元的法的目的就是把要分析的连续体分割成有限个单元的组合体，利用节点变量对单元内部来进行插值实现整体分析。因此能否将实际的工程问题抽象为正确的力学模型，是否能将力学模型正确划分有限元集合是成功硬硬的关键。简化过程中要判断实际结构的问题类型，是不是对称，载荷的大小等。 限元法基本步骤 有限元求解问题的基本步骤通常为： 4 表 限元分析的步骤大概可以分成三个部分，简单点说就是，前置处理、计算求解和后置处理。前置处理主要是进行建模，并且在建好的模型上进行完成网格划分，为下一步计 算打好基础。后置处理是把计算好的数据和分析结果进行采集， 5 并且以云图的方法表示出来，可以让用户更加简单快捷地了解计算结果，并对结果加以运用。 限元发展趋势 如今从 以看出一些发展趋势： 1 与 为了解决复杂的问题，许多商业化的有限元软件开发斗鱼注明 件有接口。有的甚至直接采用 现了真正的无缝双向数据交换。 2 程序面向用户的开放性 商业化的迅速提高，软件开发商们为了稳定自己的地位，满足顾客的需求，在功能、使用方面大量投资，开发一个可以开放的环境 ，允许用户自己定义工作环境。 3 更为强大的网格处理能力 有限元分析法主要有三步，分析对象的离散化，有限元求解，计算结果的后处理。其中离散化又称网格划分。在整个过程中至关重要。处理不好可能导致计算结果的偏差甚至错误，所以开发商在这一块投入大量精力，使这一模块更大的发展。 件的主要功能 可以进行多种多样的分析，如简单的线性静态分析和复杂的非线性动态分析。而且， 可以进行产品的优化设计、估计分析等附加功能。 件介绍 技术种类有很多，每一种方法都有其应用的领域，而限元法应用的领域越来越广，现在已经应用到了结构力学、流体力学、电路学、电磁学、热力学、声学、化学化工反应等领域。 软件有前处理模块，分析计算模块和后处理模块三个部分。 6 表 施加载荷 表 7 章小结 这一章主要叙述了有限元法的运算原理和计算方法，分为三个模块，并且对了简单的介绍，以及这个软件的发展历史和发展现状进行了阐述，给以后的分析打下了基础。 8 3 非减振刀杆有限元分析 述 刀杆是加工的重要工具，也是工艺系统中刚性最薄弱的环节，所以对于减震刀杆的设计和分析尤为重要。 构介绍 刀杆系统主要有刀杆和刀头组成，可以将装置简化为一悬臂梁结构。刀杆结构如图 14。 图 杆结构 刀杆悬伸长度 50径 D=25腔长度 (200头长度 0径 0型设计 在切削加工的过程中刀具振动有很多原因，其中最主要原因有一下三方面：包括机械加工过程中使用的刀具在内的工艺系统得刚性过低，是整个固有频率过低。切削产生了一个足够大的外激力。这个外激力的频率与工艺系统的固有频率相同，随即产生共振。 在这里设置了三种刀杆进行减振与非减震刀杆进行对比，如图 别是实心刀杆、中空刀杆和内置式刀杆。 9 实心刀杆空心刀杆 内置式刀杆 图 杆尺寸 下面首先进行实心刀杆的静态分析和模态分析。 态分析 静态分析只要分析刀杆悬臂端在集中力作用下的静刚 度。刀杆的静刚度主要指其弯曲刚度，定义为使刀杆悬臂末端产生单位径向位移所施加的径向力。而静刚度取决于刀杆的弹性模量、悬臂长度和截面尺寸。 由于刀头对分析的影响不大，所以将结构简化为均质杆，应用有限元软件择 性模型取为 200松比 料密度 7800kg/m。实心刀杆的几何模型和有限元模型分别如图 实心刀杆的参数化建模命令流见附录一。 10 图 心刀杆的几何模型 图 心刀杆的有限元模型 由于静刚度是未知 量，所以在刀杆末端施加单位载荷，得出位移，然后再求出产生单位径向位移所施加的径向力。图 移为 以静刚度为 11 图 位载荷下实心刀杆的位移云图 表 1 实心刀杆前十阶频率 阶数 频率 12 6 0 心刀杆第 1 阶固有 频率 13 图 心刀杆第 2 阶固有频率 图 心刀杆第 3 阶固有频率 14 图 心刀杆第 4 阶固有频率 图 心刀杆第 5 阶固有频率 15 图 心刀杆第 6 阶固有频率 图 心刀杆第 7 阶固有频率 16 图 心刀杆第 8 阶固有频率 图 心刀杆第 9 阶固有频率 17 图 心刀杆第 10 阶固有频率 实心刀杆第一阶固有频率 避免共振，激振载荷应该远离该频率。 结 这一章根据一般刀杆的结构，设计了实心刀杆和两种不同的减振刀 杆的几组数据，并且对实心刀杆的静刚度和前十种主要模态进行了分析，并且对该云图进行了简单的介绍，给以后减振刀杆的分析打下了良好的基础。 18 4 减振刀杆有限元分析 述 把这两种减振刀杆进行有限元分析，空心刀杆和内置减震块刀杆，通过分析他们的静刚度和前十种模态，确定其特性。 心刀杆静刚度 依照实心刀杆的分析，对空心刀杆进行静刚度分析。从图 心段长度150径 15 图 心刀杆静刚度位移云图 从上图可以得知，单位载荷下，自由端位移 以计算得出 该结构静刚度为 跟实心刀杆对比，静刚度减小了，主要是由于中空部分使得截面惯性矩变小，结构刚度变小，静刚度自然就减小了。 为了便于对比分析，分别取不同的空心长度和直径，求出各自的静刚度。刀 19 杆的空心长度分别取值为 50100150200心直径分别为 101520 空心刀杆参数化建模命令流见附录二，结果后处理命令流见附录 四。 图 刚度随空心长度的变化曲线图 图 刚度随空心直径的变化曲线图 20 表 心刀杆静刚度 静刚度 N/心长度 00 150 100 50 空心直径 0 5 0 图 心直径 20线几乎呈线性变化，随着空心长度的增加，静刚度减小，直径越大，静刚度变化越明显，也就是曲线倾斜越明显；空心直径 15线前半段呈线性变化，后半段弯曲，随着空心长度的增加，静刚度减小；空心直径 10空心长度 50150乎呈线性变化，随着空心长度的增加，静刚度减小，但是在 150发生变化，静刚度开始呈增大趋势， 20050 从图 着空心直径的增大，静刚度减小，而且空心长 度越大，静刚度的变化范围也越大，空心长度越小，静刚度的变化范围也越小。 从以上的数表曲线和分析，可以得出，不同的空心长度和空心直径，静刚度都是不一样的。 心刀杆模态 空心段长度 150径 15十阶频率见表 表 心刀杆前十阶固有频率 阶数 频率 21 7 0 1 阶主振型 22 图 2 阶主振型 图 3 阶主振型 23 图 4 阶主振型 图 5 阶主振型 24 图 6 阶主振型 图 7 阶主振型 25 图 8 阶主振型 图 9 阶主振型 26 图 10 阶主振型 从上图可以得知， 1阶固有频率比实心刀杆大，虽然刚度降低了，但是整体质量减小了，振型的变化跟跟实心刀杆几乎相同。 同样，为了便于对比分析，分别取不同的空心长度和直径，求出各自的静刚度。空心长度分别为 50、 100、 150、 200心直径分别为 10、 15、 0 阶频率随空心长度的变化曲线图，图 阶频率随空心直径的变化曲线图。表 阶频率数据。 空心刀杆参数化建模命令流见附录二，结果后处理命令流见附录四。 27 图 1 阶频率随空心长度的变化曲线图 图 1 阶频率随空心直径的变化曲线图 表 阶固有频率 频率 空心长度 00 150 100 50 空心直径 20 28 5 0 图 心直径 1015着空心长度的变化， 1阶频率变化很小；空心直径 20着空心长度的变化，1阶频率先增大后减小，空心长度 150率最大。 从图 着空心直径的增大， 1阶频率增大。 从上面的分析可以得出，空心长度 150心直径 201阶频率最大。 置式刀杆静刚度 从图 心段长度 150径 15胶长度 10震调控杆（可以是弹簧）长度 110径 2用有限元软件 图 置式刀杆位移云图 从上图可以得知，单位载荷下，自由端位移 以计算得出该 29 结构静刚度为 为了 分析方便，把橡胶的厚度和调节杆的直径去多个值进行分析，求出各自的静刚度。橡胶厚度分别为 5、 10、 15、 20、 25节杆直径分别为 2、 3、 4、5、 6 内置式刀杆参数化建模命令流见附录三，结果后处理命令流见附录四。 图 刚度随橡胶厚度的变化曲线图 30 图 刚度随调节杆直径的变化曲线图 表 置式刀杆的静刚度 静刚度 调节杆直径 2胶厚度 50505图 着调节杆直径的增加，静刚度增加，而且橡 胶厚度越小，静刚度变化越明显。 从图 胶厚度，刀杆的静刚度越小，而且调节杆直径越大，静刚度的变化范围也越大。 从以上的数表曲线和分析，可以得出，所有曲线变化规律都趋于一致，不同的橡胶厚度和调节杆直径，静刚度都是不一样的 置式刀杆模态 空心段长度 150径 15胶长度 10震调控杆（可以是弹簧）长度 110径 2十阶频率见表 应的振型分别为图 表 心刀杆前十阶固有频率 阶数 频率 31 10 1 阶主振型 图 2 阶主振型 32 图 3 阶主振型 图 4 阶主振型 33 图 5 阶主振型 图 6 阶主振型 34 图 7 阶主振型 图 8 阶主振型 35 图 9 阶主振型 图 10 阶 主振型 36 从上图可以得知， 1阶固有频率比实心刀杆大，虽然刚度降低了，但是整体质量减小了。 同样，为了更方便的对每种刀杆进行对比和分析，分别设计不一样的橡胶厚度和调节杆直径，分别求出各自的静刚度。橡胶厚度分别为 5、 10、 15、 20、 25节杆直径分别为 2、 3、 4、 5、 6 1阶频率随橡胶厚度的变化曲线图，图 阶频率随调节杆直径的变化曲线图。表 内置式刀杆参数化建模命令流见附录三，结果后处理命令流见附录四。 图 1 阶频率随橡胶厚度的变化 曲线图 37 图 1 阶频率随调节杆直径的变化曲线图 表 内置式刀杆的 1 阶固有频率 静刚度 调节杆直径 2胶厚度 50505图 节杆直径 4着橡胶厚度的变化， 1阶频率变化很小，几乎是没有变化；调节杆直径 23着橡胶厚度的增大， 1阶频率变小，调节杆直径 2节杆直径 56着橡胶厚度的增大， 1阶频率变大，调节杆直径 6 从图 着调节杆直径的增大， 1阶频率减小，所有的线几乎在调节杆直径 4 从上面的分析可以得出，橡胶厚度 5节杆直径 21阶频率最大。 结 本章是该文的主要内容，分别对空心刀杆和内置式刀杆进行参数化建模，通过静态分析和模态分析，得到静刚度和固有频率以及相应的振型。通过改变不同的结构参数，进行对比，分析两类减振刀杆的静刚度和 1阶频率。 38 5 总结和展望 结 通过前面的建模分析，得出一下结论 1. 改方便等优势； 2. 实心刀杆静刚度 1阶频率 3. 空心刀杆，分别取不同的空心长度和直径，求出各自的静刚度。空心长度分 别为 50、 100、 150、 200心直径分别为 10、 15、 0心长度 150心直径 201阶频率最大 46006 4. 内置式刀杆，分别取不同的橡胶厚度和调节杆直径，求出各自的静刚度。橡胶厚度分别为 5、 10、 15、 20、 25节杆直径分别为 2、 3、 4、 5、6胶厚度 5节杆直径 21阶频率最大 5. 空心刀杆和内置式刀杆，能够满足刚度要求， 1阶固有频率相对于实心刀杆都提高了，能够有一定的减震效果。 望 对于减震刀杆的研究 和设计是无止境的，今后还要进行一下分析： 1. 复合结构刀杆的分析研究； 2. 颗粒阻尼刀杆的分析研究； 3. 对刀杆施加激励，进行瞬态分析和谐响应分析，分别查看结构的瞬态响应和共振情况。 39 参 考 文 献 1 胡李波，王民，李刚 J009,1(1):1312 刘荣忠 J1993,（ 4） :293 J004,7(2005)1534 张克东 D长春理工大学 2003,12,45 韦联 D西华大学 :23. 6 of in by . 2001， 25(3)：224 7 张海丰，马术文 J 2009,25(1):8485. 8 孔金星，任违 J0):359 程宏伟 ,罗红波 ,郭华琛 ,王丽 J 2008,4(2):5210 范文冲，尹志宏，殷增振 J005,(2) 11 马天宇 C2013 12 向文英 C13 李红俊 C，燕山大学 14石晓龙，庞学慧 J，内燃机与配件， 2005（ 11）：2415孙伏 析与研究，煤矿机械， 2015(9):29140 致 谢 在彭彬彬老实的认真指导下，终于完成了论文，衷心感谢他在设计