減振刀具系統(tǒng)的動力學(xué)分析說明書

1、中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計說明書1 引言11 課題研究背景 切削顫振是金屬切削過程中刀具與工件之間產(chǎn)生的一種十分強烈的相對振動，其產(chǎn)生的原因和發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律與切削加工過程本身及金屬切削系統(tǒng)動態(tài)特性都有著內(nèi)在的本質(zhì)聯(lián)系，影響因素很多，是一個非常復(fù)雜的機械振動現(xiàn)象。由于振動機械的各主要構(gòu)造和零件要長期承受交變載荷，于是包括疲勞失效在內(nèi)的各種類型的損傷和破壞就成為影響設(shè)備使用性能和使用壽命的主要因素?，F(xiàn)代工業(yè)對工程質(zhì)量、產(chǎn)品精度及可靠性都提出了愈來愈高的要求，研究和解決工業(yè)工程中出現(xiàn)的各種振動問題已成為一項急迫的任務(wù)。因而在研制設(shè)計中，不僅要考慮靜力效應(yīng)，而且還要考慮動力效應(yīng)。根據(jù)傳統(tǒng)的基于靜力準(zhǔn)

2、則的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方法是無法滿足現(xiàn)代產(chǎn)品的設(shè)計要求的。對承受動載荷的結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計方法是滿足現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計要求的有效方法，通過動態(tài)設(shè)計達(dá)到控制機械結(jié)構(gòu)的振動水平，改善產(chǎn)品的質(zhì)量，提高它的安全可靠性等目的，即“優(yōu)生”。這也是符合國際、國內(nèi)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)發(fā)展方向的。本課題就是通過有限元法對減振鏜刀桿系統(tǒng)進行動力學(xué)分析，并利用ANSYS軟件對系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進行分析和模擬仿真，獲得鏜刀桿系統(tǒng)在加工條件下的變形、應(yīng)力分布等信息。 鏜削是一種用刀具擴大孔或其它圓形輪廓的內(nèi)徑車削工藝，其應(yīng)用范圍一般從半粗加工到精加工，所用刀具通常為單刃鏜刀（稱為鏜桿）。 鏜刀有三個基本元件：可轉(zhuǎn)位刀片、刀桿和鏜座。鏜

3、座用于夾持刀桿，夾持長度通常約為刀桿直徑的4倍。裝有刀片的刀桿從鏜座中伸出的長度稱為懸伸量（鏜刀的無支承部分）。懸伸量決定了鏜孔的最大深度，是鏜刀最重要的尺寸。懸伸量過大會造成刀桿嚴(yán)重?fù)锨?，引起振顫，從而破壞工件的表面質(zhì)量，還可能使刀片過早失效。這些都會降低加工效率。 對于大多數(shù)加工應(yīng)用，用戶都應(yīng)該選用靜剛度和動剛度盡可能高的鏜刀。靜剛度反映鏜刀承受因切削力而產(chǎn)生撓曲的能力，動剛度則反映鏜刀抑制振動的能力。 本文的第3部分主要分析鏜刀的靜剛度。文中資料來源于作者對鏜刀撓曲的研究。鏜刀的撓曲取決于刀桿材料的機械性能、刀桿直徑和切削條件。 減 減小刀桿懸伸長度和增加刀桿的直徑對于減小刀桿的變形量是

4、有利的。但是受加工工件尺寸的限制,改變這兩個參數(shù)是不現(xiàn)實的。另外,通過減小切削量來降低切削力也可以達(dá)到減小刀桿變形量的目的,但這樣勢必會導(dǎo)致生產(chǎn)效率的下降,而且在某些情況下,即使減小切削力也不能達(dá)到加工要求。為解決此類問題，本文采用內(nèi)置式動力減振結(jié)構(gòu)的防振鏜桿，它可以在造價相對比較低的情況下，實現(xiàn)較大長徑比。在機械加工中，利用減振鏜桿，可以提高表面加工質(zhì)量，大大提高工作效率，特別是在深孔加工中運用此減振鏜桿，對提高內(nèi)表面質(zhì)量以及加快切削速度都會有很大的幫助。1.2 國內(nèi)外發(fā)展趨勢 減振鏜桿在機械行業(yè)的研究中，已經(jīng)有很長的歷史了，但減振鏜桿的研究和發(fā)展是比較緩慢的。到目前為止，世界上只有為數(shù)不多

5、的幾家廠商能生產(chǎn)出性價比較好的產(chǎn)品。目前市場上流行的各種減振鏜桿主要以國外產(chǎn)品為主，比如瑞典的山特維克，美國的肯納，在我國由于試驗，調(diào)試過程的復(fù)雜，尚沒有相關(guān)的成熟產(chǎn)品上市。在國外，日本三菱公司和東芝公司已經(jīng)有系列化的產(chǎn)品。三菱公司的設(shè)計思想是減輕鏜桿的頭部重量，從而使鏜桿的動剛度在很大程度上得到改良舊。從材料力學(xué)的角度進行分析可以知道，這種刀具利用了細(xì)長杠桿的端部應(yīng)力的邊緣效應(yīng)，即杠桿端部受垂直于杠桿的作用力時，杠桿端部靠上的那部分的內(nèi)應(yīng)力比較小，因此可以忽略不計。當(dāng)鏜桿頭部所受的作用力偏離中心時，頭部遠(yuǎn)離作用力的部分內(nèi)應(yīng)力比較小。所以當(dāng)鏜桿受到偏心力時，刀頭的那兩部分可以切掉一些，這樣不僅

6、鏜桿頭部的重量減少了很多，而且靜剛度的減少量也較小，同時鏜桿的動剛度在很大程度上的得到了改良。但是應(yīng)當(dāng)指出這種處理辦法還存在很多的問題，其主要問題是采用頭部切除法有很大的局限性，即其長徑比不能達(dá)到太大。東芝公司的減振鏜桿是在刀具的兩邊平行的切掉一部分，再用剛度和強度大的材料嵌在兩邊，從而提高鏜桿的靜剛度。這種鏜桿的原理簡單，其鑲嵌在桿兩側(cè)的硬質(zhì)材料和刀體粘結(jié)程度是影響鏜桿質(zhì)量的關(guān)鍵因素。同時由于受到兩條加固材料的剛度、厚度和它與桿體粘結(jié)的緊密程度的影響，因此長徑比的值也受一定的局限。美國Kenametal公司生產(chǎn)的減振鏜桿(最大長徑比L/D=8)主要是采用特殊的材料制成，也屬于提高鏜桿靜剛度的

7、一種。瑞典Sandvik公司的減振鏜桿(最大長徑比L/D=16)是目前最先進的鏜桿，它所采取的方法是給鏜桿加內(nèi)置減振器。這雖然提高了鏜桿的動剛度，但也有它的局限性，例如減振塊的密度不可能太大，阻尼器的壽命嚴(yán)重地影響這種鏜桿的使用壽命國內(nèi)的一些減振鏜桿很多都處于研究階段，采用的大多是增加鏜桿靜剛度的方法，例如在桿體的芯部鑲?cè)胗操|(zhì)合金等。但是大部分的減振措施都是在工藝上進行改良或是在加工過程中采用一些技巧。到目前為止，國內(nèi)的工具廠商還沒有在減振鏜桿的制造方面有大的進展，特別是在制造長徑比比較大的鏜桿方面，而且對內(nèi)置式減振鏜桿的開發(fā)工作也還很少。13 研究的目的和意義1.3.1 目的由于振動機械的各

8、主要構(gòu)件和零件要長期承受交變載荷，于是包括疲勞失效在內(nèi)的各種類型的損傷和破壞就成為影響設(shè)備使用性能和使用壽命的主要因素本研究課題就是通過有限元法對減振鏜刀桿進行靜力分析和模態(tài)分析，并利用ANSYS分析軟件對系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進行分析和模擬仿真，獲得裝藥系統(tǒng)在振動條件下的變形、應(yīng)力分布等信息，從而為振動裝藥系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及進一步優(yōu)化提供可靠的理論依據(jù)。1.3.2 意義高速切削過程中，由于機床主軸轉(zhuǎn)速很高，微小的振動都會造成高速加工系統(tǒng)的不穩(wěn)定，從而引起刀具磨損加劇、工件加工表面質(zhì)量降低，特別是在采用小直徑鏜刀高速加工淬硬鋼材料時，振動對加工系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響尤為突出，振動的加劇甚至?xí)?dǎo)致刀具的折斷、工

9、件過切等等，而高速加工使用的機床、刀具和工件都很昂貴，因此，研究如何減少振動，對降低加工成本、提高模具的高速加工效率有很現(xiàn)實的意義。刀具的變形包括裝刀初始跳動、刀具本身的變形以及加工過程中受力后的變形。而刀具在加工過程中的變形和破損與加工的方式方法、工藝參數(shù)有關(guān)，因此，了解刀具的實際受力情況，研究在不同高速加工條件下，應(yīng)力場受各種切削條件變化而變化的規(guī)律、研究立銑刀的固有振動頻率和振型、對立鏜刀桿振動的影響等等，都有助于消除刀具的非正常破損現(xiàn)象從而降低刀具的成本，而且這一分析結(jié)果也有助于預(yù)測分析加工過程中的若干現(xiàn)象。本課題鏜刀桿為研究對象，對其主要部件進行動力學(xué)分析，將為系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化提供進

10、一步的理論依據(jù)。而且本系統(tǒng)用于我國的鏜刀桿生產(chǎn)，會大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和企業(yè)的生產(chǎn)率，在創(chuàng)造好的經(jīng)濟效益的同時也促使我國在這一領(lǐng)域踏入世界的先進行列。14 ANSYS軟件和有限元的簡介1.4.1 有限元的提出和應(yīng)用工程計算中，由于傳統(tǒng)的計算方法不僅經(jīng)常因人為計算疏忽造成錯誤外，而且在先天上，將幾何結(jié)構(gòu)及邊界條件等過于簡化，使得計算結(jié)果與實際有極大的出入，因此參考價值有限，有限元法正是基于工程的實際需要而產(chǎn)生的。從數(shù)學(xué)角度來看，有限元法基本思想的提出，可以1943年CoUr田戒的開創(chuàng)性工作為標(biāo)志。他第一次嘗試應(yīng)用定義在三角形區(qū)域上的分片連續(xù)函數(shù)和最小位能原理相結(jié)合，來求解扭轉(zhuǎn)問題。從應(yīng)用角度來看，

11、有限元法的第一個成功嘗試，是將剛架位移法推廣應(yīng)用于彈性力學(xué)平面問題，這是孔mer.clough等人在1956年分析飛機結(jié)構(gòu)時得到的成果。他們第一次給出了用三角形單元求得平面應(yīng)力問題的正確解答。他們的研究工作打開了利用電子計算機求解復(fù)雜平面彈性問題的新局面。1960年Clough進一步處理了平面彈性問題，并第一次提出了“有限單元法”的名稱，使人們開始認(rèn)識有限單元法的功效。到1%0年以后，隨著電子計算機的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，有限元法的發(fā)展速度才顯著加快，半個世紀(jì)以來，有限元法己經(jīng)應(yīng)于許多學(xué)科，由彈性力學(xué)平面問題擴展到空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴展到穩(wěn)定問題、動力問題和波動問題。分析的對象從彈性

12、材料擴展到塑性、粘彈性、粘塑性和復(fù)合材料等，從固體力學(xué)擴展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)等連續(xù)介質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域。在實際的工程應(yīng)用中，設(shè)計的結(jié)果要付諸實施必須首先經(jīng)過一系列的工程分析，以驗證其是否滿足各種設(shè)計要求，有限元分析方法的出發(fā)點是把要分析的連續(xù)體假想地分割成有限個單元組成的組合體，簡稱離散化，利用節(jié)點變量對單元內(nèi)部變量進行插值來實現(xiàn)對整體結(jié)構(gòu)的分析。因此，成功應(yīng)用有限元分析方法取決于是否將實際工程問題抽象出正確的力學(xué)模型，是否將力學(xué)模型正確劃分有限元集合。實際工程問題抽象和建立正確的力學(xué)模型，即是對實際問題的邊界條件、約束條件和外載荷進行簡化，當(dāng)然這種簡化應(yīng)盡可能的反映實際情況，不至于使簡化后的模型與實

13、際差別過大，同時計算也不過分復(fù)雜。模型簡化過程中必須判斷實際結(jié)構(gòu)的問題類型(二維、三維、平面應(yīng)力還是平面應(yīng)變問題)，判斷結(jié)構(gòu)是否對稱，外載荷大小、位置，結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和材料參數(shù)，單元劃分的粗細(xì)與模型的需要是否相符等等。1.4.2 ANSYS軟件的主要功能 ANSYS是一個通用的有限元分析軟件，它具有多種多樣的分析能力，從簡單的線性靜態(tài)分析到復(fù)雜的非線性動態(tài)分析。而且，ANSYS還具有產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計、估計分析等附加功能。其中本課題用到的ANSYS軟件的分析類型如下:l 結(jié)構(gòu)靜力分析用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)影響不顯著的問題。ANSYS程序中的靜力分析不

14、僅可以進行線性分析，而且可以進行非線性分析。如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸問題的分析。l 結(jié)構(gòu)動力分析結(jié)構(gòu)動力分析用來求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，北大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章有限元基汗出及ANSYS軟件介紹動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS可進行結(jié)構(gòu)動態(tài)分析的類型包括瞬時動力分析、模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析及隨機振動響應(yīng)分析。2 減振鏜刀桿的模型建立2.1 模型的建立2.1.1 減振鏜刀桿的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計 這里所研究的主要是減振鏜桿的靜力分析和模態(tài)分析，而在模型中我們所關(guān)心的是決定鏜桿桿體所用材料的特性參數(shù)密度和彈性模量的值。為了使

15、模型適合鏜桿的研究，我們將在模態(tài)中性文件的建立中對桿體的材料采用參數(shù)化的描述。在系統(tǒng)中選用45鋼來做桿體的材料，如選用其他的材料可通過直接修改相應(yīng)的變量值來實現(xiàn)。其中長度單位為毫米(mm)，質(zhì)量單位為千克（kg），其它選用國際單位。材料選擇如表2.1所示 表 2.1彈性模量(EX)泊松比(PRXY)密度(DENS)45鋼2.07E80.37.8E-6選用長度為370mm、直徑為48mm、夾持部分直徑稍大的桿體進行設(shè)計。2.1.2 減振鏜刀桿的力學(xué)分析 1 減振鏜刀桿受力分析作用于鏜刀上的切削力包括切向力、進給力和徑向力。與其它兩個力相比，切向力的量值最大。 切向力垂直作用于刀片的前刀面，并將鏜

16、刀向下推。需要注意，切向力作用于刀片的刀尖附近，而并非作用于刀桿的中心軸線，這一點至關(guān)重要。切向力偏離中心線產(chǎn)生了一個力臂（從刀桿中心線到受力點的距離），從而形成一個力矩，它會引起鏜刀相對其中心線發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。 進給力是量值第二大的力，其作用方向平行于刀桿的中心線，因此不會引起減振鏜刀的撓曲。徑向力的作用方向垂直于刀桿的中心線，它將鏜刀推離被加工表面。 因此，只有切向力和徑向力會使鏜刀產(chǎn)生撓曲。圖2.1 鏜削過程中刀尖受力圖 2 切削力的計算已沿用了幾十年的一種經(jīng)驗算法為：進給力和徑向力的大小分別約為切向力的25和50。但如今，人們認(rèn)為這種比例關(guān)系并非“最優(yōu)算法”，因為各切削力之間的關(guān)系取決于

17、特定的工件材料及其硬度、切削條件和刀尖圓弧半徑。推薦采用在生產(chǎn)實際中計算切削力的經(jīng)驗公式指數(shù)公式。鏜削力計算公式如表2.2。表2.2 力的計算公式主切削力FZ(N)式中的單位為m/s 切深抗力Fy(N)進給抗力Fx(N)切削時消耗的功率Pm(kW)本課題用有限元軟件結(jié)構(gòu)分析功能分析和預(yù)測不同的高速加工條件下鏜刀桿內(nèi)部的應(yīng)力場分布變化規(guī)律，分別分析在其他切削條件不變的情況下，進給量改變對鏜刀桿應(yīng)力場的影響。根據(jù)表格2.3（附錄）我們選取加工材料為結(jié)構(gòu)鋼，刀具材料為高速鋼，加工形式為外圓縱車、橫車及鏜孔一行所對應(yīng)的指數(shù)。載荷計算如表2.4所示。表2.4載荷計算值(mm/r)(mm)(m/s)(N)

18、(N)(N)0.0111.326.5529,1655.840.051 1.375.5897.5186.70.101 1.3118.59163.98314.010.151 1.3154.36222.26425.60.21 1.3186.09275.78528.10 2.1.3 減振鏜刀桿的實體模型用有限元ANSYS軟件分析的第一個步驟就是建立實體幾何模型。ANSYS的前處理階段有較強的建模功能，可以直接在其中創(chuàng)建模型(直接法)，也可以先通過其他CAD軟件進行實體模型的建立，然后通過數(shù)據(jù)接口讀入ANSYS中，經(jīng)過修正后劃分有限元網(wǎng)格進行分析計算(間接法)。本課題就是采用“間接法”，通過Proe軟件

19、，建立了鏜刀桿的實體模型(如圖2.2)。該模型考慮了鏜刀片，符合實際加工刀具的幾何特征。圖2.2減振鏜刀桿的pro/e簡化模型3 減振鏜刀桿的靜力分析3.1 減振鏜刀桿靜力分析問題描述如圖2-1所示長為370，直徑為48的模型，在刀尖承受載荷，我們以進給量為f=0.05時所計算出的一組數(shù)據(jù)為例，進行減振鏜刀桿的靜力分析。載荷大小在上文中已經(jīng)計算出，材料的彈性模量，泊松比，密度等都在上文中提到。求鏜刀桿在加載力下的位移和應(yīng)力的變化。3.2 問題的分析3.2.1 減振鏜刀桿位移邊界條件的確定減振鏜刀桿的位移邊界條件就是減振鏜刀桿的約束條件，也是減振鏜刀桿所受的一種載荷。根據(jù)鏜刀桿裝夾的實際情況來約

20、束它的自由度，即沿軸向方向(Z軸)一定長度為的表面進行約束：X(徑向)、Y(切向)、Z(軸向)的位移均為零，而旋轉(zhuǎn)自由度：Mx、My均為零，Mz是減振鏜刀桿的旋轉(zhuǎn)方向，是唯一沒有固定的約束，但由于轉(zhuǎn)速恒定，所以也可以認(rèn)為Mz是受約束的，即鏜刀桿的約束條件為全約束(沿軸向一定長度)：ALL DOF。在減振鏜刀桿的網(wǎng)格圖上確定位移邊界條件，得到立銑刀的有限元模型。 3.2.2 單元類型的選擇根據(jù)模型的幾何形狀選定單元的大類，減振鏜刀桿為實體模型，因此我們選定Solid。選定單元類型的大類后，我們根據(jù)選擇Tet 10node 92,即四面體十節(jié)點單元類型。3.2.3 模型的網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分的好壞直接

21、關(guān)系到有限元分析的速度、精度及計算的成敗，要得到精確的計算結(jié)果就要劃分出高質(zhì)量的有限元模型。因此在進行網(wǎng)格劃分時，應(yīng)注意網(wǎng)格劃分的有效性和合理性。在決定網(wǎng)格數(shù)量時應(yīng)考慮分析數(shù)據(jù)的類型。在靜力分析時，如果僅僅是計算結(jié)構(gòu)的變形，網(wǎng)格數(shù)量可以少一些。如果需要計算應(yīng)力，則在精度要求相同的情況下取相對較多的網(wǎng)格。同樣在響應(yīng)計算中，計算應(yīng)力響應(yīng)所取的網(wǎng)格數(shù)應(yīng)比計算位移響應(yīng)多。在計算結(jié)構(gòu)固有動力特性時，若僅僅是計算少數(shù)低階模態(tài)，可以選擇較少的網(wǎng)格。如果計算的模態(tài)階次較高，則應(yīng)選擇較多的網(wǎng)格。選擇合理的網(wǎng)格疏密度，在決定網(wǎng)格疏密度時應(yīng)考慮計算數(shù)據(jù)的分布特點，在計算固有特性時，因為固有頻率和振型主要取決于結(jié)構(gòu)質(zhì)

22、量分布和剛度分布，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很大，可減小數(shù)值計算誤差。在計算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位時，為了更好地反映數(shù)據(jù)變化規(guī)律，需要采用比較密集的網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的方法：在對模型進行風(fēng)格劃分之前，甚至在建立模型之前，對于確定采用自由網(wǎng)格還是映射網(wǎng)格進行分析更為合適是十分重要的。自由網(wǎng)格對于單元形狀無限制，網(wǎng)格也不遵循任何模式，適合于復(fù)雜形狀的面和體網(wǎng)格劃分。它對實體模型無特殊要求，任何幾何模型，盡管是不規(guī)則的，也可以進行網(wǎng)格劃分。所用單元形狀依賴于是對面還是對體進行網(wǎng)格劃分。所以綜上所述，根據(jù)鏜刀桿模型的實際最大尺寸，在滿足分析需求的情況下，又不至于占用太多內(nèi)存，我們

23、選擇SIZE為5，根據(jù)鏜刀桿的模型，選擇Free方式來劃分網(wǎng)格。3.3 靜力分析求解步驟1. 轉(zhuǎn)換為IGES格式文件后導(dǎo)入ANSYSl 打開ANSYS軟件，選擇Utility Menu/PlotCtrls/Style/Colors/Reverse Video命令，設(shè)置顯示顏色，講ANSYS顯示窗口的顏色從默認(rèn)的黑色轉(zhuǎn)變?yōu)榘咨?。l 選擇Utility Menu/File/Import/IGES命令，出現(xiàn)ImportIGES File對話框(如圖3.1所示)，單擊OK按鈕出現(xiàn)圖3.2所示的對話框，單擊Browse按鈕，選擇所需文件，返回3.2所示對話框，單擊OK按鈕關(guān)閉對話框。則鏜刀桿的模型就導(dǎo)入

24、到ANSYS系統(tǒng)中，如圖3.3所示。 圖3.1 輸入IGES文件對話框 圖3.3 導(dǎo)入ANSYS后的模型 圖3.2 輸入IGES文件對話框2. ANSYS系統(tǒng)中保存模型l 選擇Utility Menu/File/Save as命令，出現(xiàn)Save Database to 對話框，在Save Database to 文本框中輸入工作文件名TDzuihouyici.db,如圖3.4所示，單擊OK關(guān)閉該對話框。圖3.4 保存模型對話框3. 定義單元類型l 選擇Utility Menu/Preprocessor /Element Type/Add|Edit|Delete/命令，出現(xiàn)Element Typ

25、es對話框，如圖3.5所示。單擊Add按鈕，出現(xiàn)Library of Element Types對話框。l 在Library of Element Types列表框中選擇Solid,Tet 10node 92,在Element type reference number文本框中輸入1，如圖3.6所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對話框。l 單擊Element Types對話框上的Close按鈕，關(guān)閉該對話框。圖3.5 定義單元類型對話框 圖3.6 指定單元類型對話框 4. 定義材料性能參數(shù)l 選擇Utility Menu/Preprocessor/Material Props/Material Mode

26、ls命令，出現(xiàn)Define Material Model Behavior對話框。l 在Material Models Available一欄中依次單擊Structural、Linear、 Elastic、Isotropic選項，如圖3.7所示，出現(xiàn)Linear Isotropic Properties for Material Number 1對話框，在EX文本框中輸入2.07E8，在PRXY文本框中輸入0.3，如圖3.8所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對話框。l 在Define Material Model Behavior對話框中選擇Material /Exit命令，關(guān)閉該對話框。 圖3.7 定

27、義材料屬性對話框圖3.8 材料屬性填寫對話框l 選擇Utility Menu/Select/Everything命令，選擇所有實體。l Utility Menu/Preprocessor/Numbering Ctrls/Compresse Numbers命令，出現(xiàn)Compresse Numbers對話框，在Label Item to be compressed下拉列表中選擇All,如圖3.9所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對話框。此步驟的操作目地是使得所有編號依次按順序排列，例如區(qū)域編號是A3、A5、A6、A8,壓縮后變成A1、A2、 A3 、A4。 圖3.9 壓縮所有編號對話框l 選擇Utility

28、 Menu/File/Save as命令，出現(xiàn)Save Database to 對話框，在Save Database to文本框中輸TDzuihouyicishuxing.db,保存上述操作過程，單擊OK按鈕關(guān)閉該對話框。5. 劃分網(wǎng)格l 選擇Utility Menu/Preprocessor/Meshing/Size Cntrls/Manual Size /Global/Size命令,出現(xiàn)Global Element Sizes對話框，在SIZE Element edge length文本框中輸入5，如圖3.10所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對話框。圖3.10 定義單元尺寸對話框l 選擇Utili

29、ty Menu/Preprocessor/Meshing/Mesh/Volumes/Free命令，出現(xiàn)Mesh Vomlumes拾取菜單，用鼠標(biāo)在ANSYS顯示窗口選擇鏜刀桿，單擊OK按鈕關(guān)閉該菜單。l 選擇Utility Menu/Plot/Elements命令，ANSYS顯示窗口將顯示如圖3.11所示的鏜刀桿有限元模型。 圖3.11 鏜刀桿有限元模型顯示l 選擇Utility Menu/File/Save as命令，出現(xiàn)Save Database to 對話框，在Save Database to文本框中輸TDzuihouyiciwangge.db,保存上述操作過程，單擊OK按鈕關(guān)閉該對話框

30、。6. 加載求解l 選擇Utility Menu/Solution/Analysis Type/New Analysis命令，出現(xiàn)New Analysis對話框。選擇分析類型為Static,如圖3.12所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對話框。 圖3.12 分析類型選擇對話框l 選擇Utility Menu/PlotCtrls/Numbering命令，出現(xiàn)Plot Numbering Controls對話框，選中AREA area numbers選項，使其狀態(tài)從Off變?yōu)镺n,其余選項采用默認(rèn)設(shè)置，圖3.13所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對話框。l 選擇Utility Menu/Plot/Area命令，顯示所

31、有面編號，如圖3.14所示。記下后面夾具需要夾持的鏜刀桿有限元模型的面編號，A23,A25,A27。l 選擇Utility Menu/Plot/Elements命令，ANSYS窗口返回劃分網(wǎng)格的模型。 圖3.13 編號顯示控制對話框 圖3.14 顯示面編號的鏜刀桿模型l 選擇Utility Menu/Select/Entities命令，出現(xiàn)Select Entities對話框，在第一個下拉列表中選擇Areas,在第二個下拉列表中選擇ByNum/pick,在第三欄中選擇From Full單選項，如圖3.15所示。單擊OK按鈕，出現(xiàn)Select Areas拾取菜單，在文本框中輸入23,25,27，

32、如圖3.16所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該拾取菜單。 圖3.15選擇實體對話框 圖3.16拾取面菜單 圖3.17拾取受力面菜單l 選擇Utility Menu/Solution/Define Loads/Apply/ Structural / Displacement/On Areas命令，出現(xiàn)Apply U ,ROT on Areas拾取菜單，如圖3.17所示，單擊Pick all按鈕,出現(xiàn)Apply U,ROT on Areas對話框，在Lab2 DOFs to be contrained 下拉列表中選擇ALL DOF,在Apply as下拉列表中選擇Contant value,在VALUE D

33、isplacement value文本框中輸入0，如圖3.18所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對話框。l ANSYS窗口將顯示施加約束后的有限元模型，如圖3.19所示。 圖3.18 施加位移約束話框 圖3.19 施加位移約束的有限元模型l 選擇Utility Menu/Select/Everything命令。l 選擇Utility Menu/PlotCtrls/Numbering命令，出現(xiàn)Plot Numbering Controls對話框，選中KP Keypoint numbers選項，使其狀態(tài)從Off變?yōu)镺n,其余選項采用默認(rèn)設(shè)置，如圖3.20所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對話框。l 選擇Utility

34、 Menu/Plot/Keypoint/Keypoint命令，顯示所有關(guān)鍵點編號，如圖3.21所示。記下刀尖的編號為14.圖3.20 編號顯示控制對話框 圖3.21 關(guān)鍵點顯示圖l 選擇Utility Menu/Select/Entities命令，出現(xiàn)Select Entities對話框，在第一個下拉列表中選擇Keypoints,在第二個下拉列表中選擇ByNum/pick,在第三欄中選擇From Full單選項，如圖3.22所示。單擊OK按鈕，出現(xiàn)Select Keypoints拾取菜單，在文本框中輸入14，如圖3.23所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該拾取菜單。 圖3.22選擇實體對話框 圖3.23拾

35、取關(guān)鍵點菜單 3.24作用載荷點拾取菜l 選擇Utility Menu/Solution/Define Loads/Apply/Structural/ForceMoment/On Keypoints命令，出現(xiàn)Apply F/M on KPs拾取菜單，如圖3.24所示，單擊Pick all按鈕，出現(xiàn)Apply F/M on KPs對話框，如圖3.25所示在Lab Direction of force/mom列表框中選擇Fz，在VALUE Force/moment value文本框中輸入75.58。如圖3.25所示，單擊Apply按鈕。 圖3.25 在關(guān)鍵點上施加集中力載荷對話框l 返回Apply

36、 F/M on KPs拾取菜單，單擊Pick all按鈕，出現(xiàn)Apply F/M on KPs對話框，如圖3.26所示在Lab Direction of force/mom列表框中選擇FY，在VALUE Force/moment value文本框中輸入-186.7，單擊Apply按鈕。 圖3.26 FY方向施加載荷 圖3.27 FX方向施加載荷l 返回Apply F/M on KPs拾取菜單，單擊Pick all按鈕，出現(xiàn)Apply F/M on KPs對話框，在Lab Direction of force/mom列表框中選擇FX，在VALUE Force/moment value文本框中輸入

37、97.5。如圖3.27所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對話框。加載力后的有限元模型如圖3.28所示。l 選擇Utility Menu/Select/Everything命令。l 選擇Utility Menu/File/Save as命令，出現(xiàn)Save Database to 對話框，在Save Database to 文本框中輸入工作文件名TDzuihouyicizaihe.db,如圖3.29所示，保存上述操作結(jié)果，單擊OK關(guān)閉該對話框。圖3.28 加載荷后的有限元模型 圖3.29 保存模型對話框l 選擇Main Menu/Solution/Solve/Current LS命令，出現(xiàn)Solve Cur

38、rent Load Step對話框，如圖3-30所示，單擊OK按鈕，ANSYS開始求解計算。如圖3.31所示。圖3.30 求解對話框 圖3.31 求解進行中l(wèi) 求解結(jié)束時，出現(xiàn)Note提示框，單擊Close按鈕關(guān)閉該對話框。如圖3.32所示。求解結(jié)束后的有限元模型如圖3.33所示。 圖3.32 求解結(jié)束提示框l 求解結(jié)束時，出現(xiàn)Note提示框，單擊Close按鈕關(guān)閉該對話框。如圖3.32所示。求解結(jié)束后的有限元模型如圖3.33所示。 圖3.33 求解結(jié)束后的模型 圖 3.34 保存結(jié)果對話框7. 查看求解結(jié)果l 選擇Main Menu/General Postproc/Plot Results

39、/Deformed Shape命令，出現(xiàn)Plot Deformed Shape對話框，在KUND Items to be plotted選項中選擇Def+undef ormed選項，如圖3.35所示，ANSYS顯示窗口變形后和未變形的幾何形狀，如圖3.36所示。 圖3.35 圖形顯示選擇對話框 圖3.36 鏜刀桿變形前后的模型l 選擇Main Menu/General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu命令，出現(xiàn)Contour Nodal Solution Data對話框。l 在Item to be contoured列表框中選擇Noda

40、l Solution/DOF solution/X-Component of displacement,如圖3.37所示，單擊OK按鈕，ANSYS顯示窗口將顯示X方向的位移等值線圖，如圖3.38所示。 圖3.37 顯示結(jié)果l 依次點擊Y-Component of Displacement,Z-Component of Displacement,Displacement Vector sum,窗口可以相繼顯示Y方向（圖3.39），Z方向（3.40），整體的位移等值線圖3.44。l 選擇Main Menu/General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Nod

41、al Solu命令，出現(xiàn)Contour Nodal Solution Data對話框。l 在Item to be contoured列表框中選擇Stress/X-Component of Stress ,其余選項默認(rèn)，單擊OK按鈕，ANSYS窗口將會顯示X方向的等效應(yīng)力場分布等值線圖，如圖3.41所示。l 依次點擊Y-Component of Stress,Z-Component of Stress，Von Mises stress,窗口可以相繼顯示Y方向（圖3.42），Z方向（圖3.43），整體的應(yīng)力等值線（圖3.45） 圖3.38 X方向位移等值線圖圖3.39 Y 方向位移等值線圖 圖3.

42、40 Z方向位移等值線圖圖3.41 X方向應(yīng)力分布等值線圖 圖3.42 Y方向應(yīng)力分布等值線圖圖3.43 Z方向應(yīng)力分布等值線圖3.4 對X,Y,Z 方向的位移圖和應(yīng)力圖進行分析3.4.1 X,Y,Z方向位移圖的分析 X,Y,Z位移圖上的數(shù)值如3.1表所示，就位移變化的絕對值而言，我們可以觀察到，無論X,Y,還是Z方向最大位移都發(fā)生在刀尖部位附近，并且減振鏜刀桿的前半部分位移等值線圖變化比較明顯。減振鏜刀桿的后半部分由于六個自由度全部約束，位移等值線圖幾乎沒有變化。由于Y方向的力，即切削力最大，因此三個方向比較，最大位移變形量在Y方向為0.0000125mm。 表3.1 位移等值線圖上的數(shù)值X

43、方向Y方向Z方向DMX 0.136E-040.136E-040.136E-04SMN-0.279E-07-0.125E-04-0.268E-05SMX0.454E-050.157E-070.149E-053.4.2 X,Y,Z方向應(yīng)力圖的分析X,Y,Z方向的應(yīng)力等值線圖中的數(shù)值如表3.2所示，就應(yīng)力的絕對值而言，我們可以觀察到，無論是X,Y,還是Z方向最大應(yīng)力都在刀尖部位附近。其次，在減振鏜刀桿直徑改變部位有應(yīng)力集中。三個方向比較最大應(yīng)力發(fā)生在Y方向為106.199千帕，同時此方向也是位移變化最大的方向，最小可能應(yīng)力為10.99千帕。粗略的估計一下，三個方向的應(yīng)力都沒有超過此減振鏜刀桿所能承受

44、的允許應(yīng)力的范圍。 表3.2 各方向應(yīng)力等值線的上數(shù)據(jù)X方向Y方向Z方向DMX0.136E-040.136E-040.136E-04SMN-57.105-106.199-20.529SMX15.93310.9928.9263.5 不同進給量的總位移圖和等效應(yīng)力圖比較分析我們重復(fù)靜力分析具體求解步驟，在不同進給量條件下，對減振鏜刀桿施加相應(yīng)的載荷，于是我們得出不同進給量下總位移等值線圖和等效應(yīng)力等值線圖，如圖3.44至3.53所示。 圖3.46 f=0.01時總位移等值線圖 圖3.47 f=0.01等效應(yīng)力等值線圖 圖3.44 f=0.05時總位移等值線圖 圖3.45 f=0.05時等效應(yīng)力等值

45、線圖 圖3.48 f=0.1時總位移等值線圖 圖3.49 f=0.1等效位移等值線圖 圖3.50 f=0.15時總位移等值線圖 圖3.51 f=0.15等效應(yīng)力等值線圖 圖3.52 f=0.2時總位移等值線圖 圖3.53 f=0.2等效應(yīng)力等值線圖3.5.1 不同進給量總位移圖比較分析不同進給量總位移等值線圖上的數(shù)值如表3.3所示。從表中我們可以看出極大位移值和最大位移值是相同。隨著進給量的增加，載荷是增加的，位移變形量也是呈遞增趨勢。由于位移變形量的增加會對加工精度產(chǎn)生影響，因此在核實的范圍內(nèi)，我們應(yīng)該盡量選擇較小的進給量。從總位移圖中我們可以看出，不同進給量的最大位移變形量都是刀尖部位附近

46、最大，延X軸方向依次減小。且不同進給量的總位移等值線圖的位移等值線變化很相似，即隨著載荷的增加，鏜刀桿的變形量是在線性變化范圍內(nèi)。表3.3 總位移等值圖上數(shù)值f0.010.050.10.150.2DMX0.397E-0.50.136E-0.40.231E-0.40.314E-0.40.391E-0.4SMX0.397E-0.50.136E-0.40.231E-0.40.314E-0.40.391E-0.43.5.2 不同進給量等效應(yīng)力圖比較分析不同進給量等效應(yīng)力圖上的數(shù)值如表3.4所示。從表中我們可以看隨著進給量的增加，等效應(yīng)力的最大值和最小值都呈遞增趨勢。從等效應(yīng)力圖中我們可以看出，最大應(yīng)力

47、都集中在刀尖部位附近。且應(yīng)力等值線分布很相似，因此鏜刀桿沒有發(fā)生急劇應(yīng)力增加。表3-4 等效應(yīng)力圖上數(shù)值f0.010.050.10.150.2DMX0.397E-0.50.136E-0.40.231E-0.40.314E-0.40.391E-0.4SMN0.208E-060.593E-060.931E-060.121E-050.146E-05SMX42.514142.833240.873327.017406.2714 減振鏜刀桿的模態(tài)分析41 模態(tài)分析的定義和目的4.1.1 模態(tài)分析的定義模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)的振動特性的一種技術(shù)：l 自然頻率l 振型l 振型參與系數(shù) （即在特定方向上某個振型

48、在多大程度上參與了振動）l 模態(tài)分析是所有動力學(xué)分析類型的最基礎(chǔ)的內(nèi)容。4.1.2 模態(tài)分析的目的l 使結(jié)構(gòu)設(shè)計避免共振或以特定頻率進行振動（例如揚聲器）；l 使工程師可以認(rèn)識到結(jié)構(gòu)對于不同類型的動力載荷是如何響應(yīng)的；l 有助于在其它動力分析中估算求解控制參數(shù)（如時間步長）。l 建議：由于結(jié)構(gòu)的振動特性決定結(jié)構(gòu)對于各種動力載荷的響應(yīng)情況，所以在準(zhǔn)備進行其它動力分析之前首先要進行模態(tài)分析。42 模態(tài)分析的理論知識由彈性力學(xué)有限元法，可得減振鏜刀桿系統(tǒng)的運動微分方程為： （4-1）式中，分別為齒輪質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；、分別為齒輪振動加速度向量、速度向量和位移向量，；為齒輪所受外界激振力向

49、量，。若無外力作用，即，則得到系統(tǒng)的自由振動方程。在求齒輪自由振動的頻率和振型即求齒輪的固有頻率和固有振型時，阻尼對它們影響不大，因此，可以作為無阻尼自由振動問題來處理2。無阻尼項自由振動的運動方程為： （4-2）如果令 則有 代入運動方程，可得 (4-3)式中為第I階模態(tài)的固有頻率，為第I階振型，。4.3 減振鏜刀桿模態(tài)分析的提取方法 在ANSYS中有以下幾種提取模態(tài)的方法：l Block Lanczos法l 子空間法l PowerDynamics法l 縮減法l 不對稱法l 阻尼法使用何種模態(tài)提取方法主要取決于模型大?。ㄏ鄬τ谟嬎銠C的計算能力而言）和具體的應(yīng)用場合。其中Block Lancz

50、os 法可以在大多數(shù)場合中使用，是一種功能強大的方法。他的特點有：當(dāng)提取中型到大型模型（50.000 100.000 個自由度）的大量振型時（40+），這種方法很有效；經(jīng)常應(yīng)用在具有實體單元或殼單元的模型中；在有或沒有初始截斷點時同樣有效。（允許提取高于某個給定頻率的振型）；可以很好地處理剛體振型；需要較高的內(nèi)存。因此我們選擇Block Lanczos法作為減振鏜刀桿模態(tài)分析的提取方法。其中振型數(shù)目必須指定（縮減法除外），減振鏜刀桿的模態(tài)分析我們提取前10階主要模態(tài)。頻率范圍缺省為全部，但可以限定于某個范圍內(nèi)，這里指定的值為：Start Freq (開始頻率)是0，End Frequency

51、(結(jié)束頻率)是99999999。4.4 模態(tài)分析邊界條件的確定4.4.1 位移約束模態(tài)分析中，我們施加必需的約束來模擬實際的固定情況，在沒有施加約束的方向上將計算剛體振型并且不允許有非零位移約束。因為減振鏜刀桿是被夾具夾持，所以減振鏜刀桿模態(tài)分析的位移約束就是在減振鏜刀桿上施加有效載荷：零位移約束，即減振鏜刀桿的約束條件為全約束(沿某一軸向方向長度)：ALL DOF。所以模態(tài)分析時位移約束條件和進行靜力分析時一樣。4.4.2 外部載荷 因為振動被假定為自由振動，所以忽略外部載荷。然而，ANSYS程序形成的載荷向量可以在隨后的模態(tài)疊加分析中使用，因此進行模態(tài)分析時再不需要重新定義邊條，可以直接進

52、入求解菜單進。45 模態(tài)分析的基本步驟l 建立模型:只有線性效應(yīng);l 確定采用何種計算方法:子空間法、分塊法、能量法、縮減法、阻尼法等;l 施加載荷;l 計算:分析模型特征值;l 擴展模態(tài):分析模型特征向量，計算應(yīng)力;l 進入后處理菜單獲得計算結(jié)果等;l 評價分析結(jié)果。4.6 模態(tài)分析的具體操作步驟1 求解步驟l 打開ANSYS軟件，在左上角的快捷鍵中，點擊Open ANSYS File,選取靜力分析時所用的鏜刀桿模型，此模型已經(jīng)定義好屬性，位移約束，和載荷。其中載荷在模態(tài)分析中不起作用。l 選擇Utility Menu/Preprocessor/Material Props/Material

53、 Models命令，出現(xiàn)Define Material Model Behavior對話框。在Material Models Available一欄中依次單擊Structural、Linear、 Density選項，如圖4-1所示，出現(xiàn)Density For Material Number1對話框，在DENS文本框中輸入7.8E-6，如圖4-2所示，單擊OK按鈕關(guān)閉該對話框。 圖4-1 定義材料屬性對話 圖4-2 密度定義對話框l 在Define Material Model Behavior對話框中選擇Material /Exit命令，關(guān)閉該對話框。l 指定分析類型 ：Main Menu /

54、Solution /Analysis Type /New Analysis,彈出4-3所示的New Analysis對話框，選中Modal(模態(tài)分析)，單擊OK按鈕。l 選取模態(tài)提取方法：Main Menu /Solution /Analysis Type /Analysis Options將彈出模態(tài)分析選項對話框如圖4-4所示，在對話框中，指定Mode extraction method (模態(tài)提取方法)為Block Lanczos (分塊蘭索斯法)，并指定No. of modes extract (提取模態(tài)的階數(shù))為10 ,將Expand mode shapes (模態(tài)擴展)設(shè)置為“YES”,在No. of modes to expand (模態(tài)擴展階數(shù))文本框中輸入10。這樣ANSYS程序在進行模態(tài)求解的同時將完成模態(tài)的擴展，不需要再單獨進行模態(tài)擴展。 單擊ok按鈕，將會彈出B