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圆锯片结构拓扑优化及疲劳寿命分析

王成  
【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。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,产生的局部应力值、作业方式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,目的是提高整体刚度,保证使用寿命。本文采取有限元拓扑优化的研究方法,针对圆锯片的结构进行了改进,并研究了圆锯片因应力而引起的寿命变化,具体研究内容如下:(1)借助于有限元软件ANSYS采用APDL语言建立了人造金刚石圆锯片的有限元模型。分析了圆锯片在不同转速下的预应力情况,得出预应力在圆锯片研究中不可忽视的结论。研究了特定预应力下圆锯片的固有模态,并得出了圆锯片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,针对不同位置的测试点对比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,因此寿命分析也应针对齿根部进行研究。(3)采用了变密度法拓扑优化对于特定工况下的圆锯片进行了拓扑分析,以结构柔度为目标函数,用体积百分比进行约束,保证结构的整体刚度。经过对比分析得出了圆锯片开十二个膨胀孔的新结构。对圆锯片的新结构进行模态分析与对比,结果表明新结构的圆锯片在实际工况中逐渐出现了模态分离的现象,并且固有频率越高,模态分离越明显。动态响应结果表明最高应力依然位于锯齿齿根部,应进行重点研究。(4)圆锯片的应力变化对寿命影响最大。本文采用自行设计的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。


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