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优秀本科毕设优秀本科毕设.docx

发布时间：2022-06-05 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.13M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    摘 要 近年来建筑业和制造业伴随着工业现代化而快速发展，金刚石圆锯片的应用 范围还在不断扩大，需求量日益增加，对于圆锯片的动力学分析也逐渐显得重要。 圆锯片在正常工作时处于高速旋转状态，其与被切割物体两者之间产生剧烈的相 互作用，产生的局部应力、作业方式以及工作环境将直接影响圆锯片的使用寿命。 本文将针对圆锯片的整体应力水平进行研究，目的是提高其整体刚度，保证其使 用寿命。本文使用有限元拓扑优化的方法，对圆锯片结构进行了优化改进，并对 圆锯片因应力而引起的寿命变化进行了研究，具体研究内容如下： 1.借助于有限元软件 ANSYS 建立人造金刚石圆锯片的有限元模型。分析了圆 锯片在不同旋转速度下的预应力情况，得出了预应力不可忽视的结论。研究了特 定预应力下圆锯片的固有模态，并且得出了圆锯片的固有模态存在模态叠加的结 论。 2.建立了圆锯片在工作时的载荷模型，对受到载荷作用的圆锯片进行了动态响 应分析，进行不同位置的对比测试,研究了圆锯片的应力变化情况。研究结果表明 应力变化最大的部位位于圆锯片锯齿齿根部，因此其寿命分析的研究也应针对锯 齿齿根部。 3.采用变密度法的拓扑优化对处于特定工况下的圆锯片进行分析，以结构柔度 为目标函数，用体积百分比对其约束，保证了结构的整体刚度。经过对比分析得 出了圆锯片开十二个膨胀孔的新结构。对圆锯片的开孔结构进行模态分析与对比， 结果表明采用新结构的圆锯片在实际工作环境下中逐渐出现了模态分离的现象， 并且固有频率越高，模态分离现象越明显。动态响应结果表明圆锯片最高应力产 生部位依然位于锯齿齿根部，应对其进行重点研究。 4.圆锯片的应力变化对寿命影响最大。本文采用 65Mn 材料的 SN 曲线对圆锯 片前后的寿命进行分析计算，得出了最优化结构对寿命有所提高的结论。 关键词：圆锯片，疲劳寿命，拓扑优化
    重庆大学本科学生毕业设计（论文） ABSTRACT ABSTRACT Accompanied by the industrial modernization, the construction industry and manufacturing industry have achieved great development. The application field of diamond saw blade is still expanding, and also the demand of diamond saw blades is increasing. As the result, the dynamic analysis of the circular saw blade is getting more and more important. Circular saw blade often works in high rotating speed state. It will withstand the intense interaction force with the object being cut. The service life of the saw blade will be directly affected by the local stress, operation mode and the work environment. To increase the overall stiffness and guaranteeing the service life, simulation of circular saw blade is further studied. This paper adopts the research method of topology optimization which is based on finite element. The structure of circular saw blade is optimized, and the fatigue life of circular saw blade is studied. The research contents are as follows: 1 .With the help of software ANSYS, the finite element model of diamond circular saw blade is built. The prestress condition of circular saw blade under different rotating speeds is analyzed. The results show that the prestress should not be ignored. Analyzing the different modes of circular saw blade, it figures out that there is mode superposition phenomenon in saw blade modal. 2.The load model of the circular saw blade is established. The dynamic response of circular saw blade and the variation of stresses at different points are analyzed. It is found that the maximum stress is located at the root of the tooth. 3.Topological analysis is carried out with the variable density method of topology optimization. To ensure the overall stiffness of the structure, the structure flexibility is used as the objective function, and the volume percentage is used as constraints. Modal analysis of the new structure II
    重庆大学本科学生毕业设计（论文） ABSTRACT show that mode superposition disappeared. The dynamic response results show that the maximum stress is still located at the root of the tooth. 4. The fatigue life of circular saw blade is affected mostly by the variation ofstresses. This paper uses the S-N curve of 65Mn materials to analysis the fatigue life of saw blade. The result shows that the optimal structure does improve the life. Key words：Circular saw blade, Fatigue life, Topological optimization III
    重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录 IV
    重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录 目 录 中文摘要...................................................................................................... Ⅰ ABSTRACT..................................................................................................... Ⅱ 1 绪论...........................................................................................................1 1.1 研究背景及意义...................................................................................... 1.1.1 研究背景......................................................................................... 1.1.2 研究意义......................................................................................... 1.2 国内外研究现状..................................................................................... 2 结构拓扑优化的理论基础........................................................................ 2.1 拓扑优化原理......................................................................................... 2.2 连续体结构拓扑优化方法........................................................................ 2.2.1 均匀化方法...................................................................................... 2.2.2 变密度法......................................................................................... 2.2.3 渐进法............................................................................................. 2.3 优化数学算法......................................................................................... 2.3.1 数学规划法...................................................................................... 2.3.2 最优准则法...................................................................................... 2.3.3 仿生学法......................................................................................... 3 圆锯片有限元模型建立及动态响应分析............................................... 3.1 圆锯片工况分析...................................................................................... 3.2 圆锯片有限元模型建立........................................................................... 3.3 圆锯片动态响应分析............................................................................... 4 圆锯片的结构拓扑优化分析.................................................................... 4.1 拓扑优化的 ANSYS 分析........................................................................... 4.2 圆锯片拓扑优化设置............................................................................... 4.2.1 单元类型以及工况设计.................................................................... 4.2.1 拓扑优化的设置............................................................................... 4.3 拓扑优化的结果...................................................................................... 4.3.1 材料去除 50%................................................................................... 4.3.2 材料去除 40%................................................................................... 4.3.3 材料去除 30%................................................................................... 4.3.4 拓扑优化结果分析........................................................................... V
    重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录 4.4 拓扑优化结构分析.................................................................................. 4.4.1 结构设计......................................................................................... 4.4.2 动态响应分析.................................................................................. 5 圆锯片优化结构的疲劳寿命分析............................................................ 5.1 疲劳理论概述......................................................................................... 5.1.1 疲劳破坏简述.................................................................................. 5.1.2 金属材料的 S-N 曲线分析................................................................. 5.1.3 平均应力的影响及修正.................................................................... 5.1.4 疲劳累积损伤理论........................................................................... 5.2 圆锯片疲劳寿命分析............................................................................... 5.2.1 65Mn 钢材的 S-N 曲线数学表达方式................................................. 5.2.2 圆锯片危险点对比分析................................................................... 5.2.3 圆锯片优化前后疲劳寿命分析......................................................... 5.3 本章小结................................................................................................ 致谢 参考文献....................................................................................................... VI
    重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论 1 绪论 1.1 研究背景及意义 1.1.1 研究背景 市场上常见的圆锯片主要由锯齿和基体组成。基体材料主要有 45 钢，50 钢， 65Mn 等，锯齿材料则根据切削对象和场合，其主要材料有硬质合金和人造金刚石。 硬质合金圆锯片主要应用于木材加工及园林修理等行业，木材类质地较软，在加 工过程中对圆锯片冲击小，圆锯片内部产生的应力也不会过大导致圆锯片结构被 破坏;人造金刚石圆锯片制造成本低、加工效率高，由于这些显著的特点而被广泛 应用于玻璃、石材、宝石、铸铁等材料的加工，以及房屋、道路、桥梁等工程施 工中。对于石材钢材等硬脆性材料，其硬度高，脆性大，一直属于难加工材料之 列，而人造金刚石圆锯片在加工过程中加工效率相对较高，加工质量也很好。 近年来建筑业和制造业伴随着工业现代化而快速发展，金刚石圆锯片的应用 领域还在不断扩大，需求量持续增加，对于圆锯片的动力学分析也日益显得重要 起来。上个世纪九十年代开始很多著名的工程都应用到了圆锯片切割技术。日本 的 Nagata 切割公司在拆除东京到名古屋之间高速公路上的钢.筋混凝土栏和隔离 带的工程中就开始采用了金刚石圆锯片[1] 。Penhall 公司则采用金刚石圆锯片成功 拆除了美国的亚特兰大国际机场一条跑道口[2]。英国的 Balfour 公司采用圆锯片切 割技术对伦敦附近的一段高速公路进行修复[3]，也采用了金刚石圆锯片对路面进行 了切割。1995 年日本的神户由于地震引起许多高架桥损坏倒塌，Nagata 切割公司 在救援过程中也参与了其中一部分拆除重建工作[4]，施工中就采用了不同直径的圆 锯片来切割桥面。 1.1.2 研究意义 随着建筑业以及工业现代化的逐渐推进，金刚石锯片的应用领域还在不断扩 大，需求量继续增加，对于圆锯片的而动力学分析也日益显得重要起来。圆锯片 正常工作时处于高速旋转状态，与被切割物体彼此之间产生剧烈的相互作用，作 业方式及工作环境直接影响圆锯片的使用寿命。对圆锯片的模拟研究将调整整体 应力分布，提高整体刚度，保证使用寿命。 1.2 国内外研究现状 圆锯片的研究主要分为以下几大方向：数学分析研究，材料研究。减振降噪 研究等。在各个方面国内外均有显著的研究成果出现。 数学分析方面，郭兴旺，邹家祥[5]对于不考虑离心惯性力效应的圆锯片建立了 它的频率方程及振型函数，之后通过 Bessel 函数的精确数值计算，得出了圆锯片 1
    重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论 振动模态在数学上的精确解。姚涛[6]也在 Bessel 函数的基础上给出了在 Matlab 环 境下求解普通圆锯片固有频率的程序。C.D.Mote[7-8]教授简化圆锯片为内边固支， 外边相对自由的圆环板，并对其施加沿圆环板周边逐渐移动的载荷从而模拟圆锯 片切削振动情况，再借助于小挠度理论的基本假设，建立自由横向振动微分方程， 用格林函数法分析了其响应。 材料研究方面，孙世滨[9]通过实验对比分析了硬质合金圆锯片与高速钢圆锯片 的各种性能，并总结出了硬质合金圆锯片在锯切钢材时的一-些重要规律。张美琴 [10]等人通过检测系列锯切实验的主轴功率研究了金刚石圆锯片在正常锯切过程中 能效的变化。万丽荣[11]等人为了能将圆锯片基体材料的抗磨性及强度提高，采用 了高能束熔覆技术在金刚石圆锯片外覆盖了一层熔覆合金层;A.M.Abrao[12]等人研 究了 AISI1045 钢质圆锯片在不同切削速度下切削力和表面粗糙度的变化。 减振降噪研究方面，马玉平等[13]通过实验研究发现，给定圆锯片的直径后， 如果减小圆锯片厚度，那么其共振频率会随之降低;不同频率所引起的圆锯片共振 振幅会影响弯曲振动圆锯片的设计参数及基本性能。白硕玮等[14]对于节径型横向 振动在金刚石圆盘锯锯切石材时的形成原因进行了探究，结果发现在行波振动过 程中锯齿边缘的波动变形是形成附加轴向力的原因之一;对轴向附加力的数学模 型进行了建立,计算得出了金刚石圆盘锯锯切石材的振动模型。UkvalberqieneK 等 [15]采用了一种更为精确的方法，可以用来计算钢质圆锯片的模态及振幅，对于不 同直径的圆锯片进行了 2 000Hz 以下的固有频率测量，经研究发现，直径参数不 同的圆锯片其相同振型所对应的固有频率差别不大。Orlowski Kazimierz 等[16]通 过实验研究了圆锯片临界转速问题，试验中采用了脉冲测试成像技术对圆锯片临 界转速问题进行了估算。LzhakBucher 和 Chen.J.s[17-18]等人分析研究了圆锯片在锯 切过程中其横向振动与随锯切参数之间的相关规律。圆锯片的研究在结合了理论 分析，计算机模拟以及实验测定等众多的研究成果后，已经形成了一套较为完善 的研究体系，能够满足不同场合的需求。但由于研究侧重点的不同，对于圆锯片 应力分布研究，整体刚度研究及疲劳寿命的研究还需进一步深入。 2 结构拓扑优化的理论基础 2.1 拓扑优化原理 在优化设计之前，由于选取了不同的设计变量就能得到不同的优化结果，大 体分为以下三种:尺寸优化、形状优化和拓扑优化。 尺寸优化:以形状尺寸作为优化对象，具体设计形状在优化之前已经由设计人 员设定完成，仅需计算出在满足需求下的最优参数。 2
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