基于APDL方式的圓鋸片計(jì)算模態(tài)分析

吳 奇，董亞飛，王 正，宋得意，紀(jì)亞旭

(1.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210037；3.南京田家炳高級(jí)中學(xué)，江蘇南京 210000；4.哈爾濱市賓縣農(nóng)村公路事業(yè)發(fā)展中心，黑龍江 賓縣 150400)

圓盤(pán)鋸片方式鋸切木材的圓鋸機(jī)已有200多年的歷史，目前圓鋸機(jī)已被應(yīng)用于木質(zhì)材料和木質(zhì)復(fù)合材料的縱鋸、橫截、裁邊、開(kāi)槽等鋸切加工工序。圓鋸片在工作過(guò)程中，處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此在鋸片設(shè)計(jì)中，必須重視其固有特性，因?yàn)橐坏╀彊C(jī)工作頻率與鋸片的固有頻率耦合時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致共振現(xiàn)象。劇烈振動(dòng)直接影響了鋸切質(zhì)量和鋸片壽命，也嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全、生產(chǎn)效率和成本，同時(shí)鋸片劇烈振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲也嚴(yán)重影響現(xiàn)場(chǎng)工作人員的身心健康[1]。因此需要對(duì)圓鋸片的模態(tài)性能進(jìn)行研究。在多種研究模態(tài)的方法中，使用ANSYS有限元分析軟件的計(jì)算模態(tài)是一種較理想的模態(tài)分析手段[2]。但是目前的研究現(xiàn)狀多集中在對(duì)于圓鋸片簡(jiǎn)化模型(圓環(huán))的分析上，且大多采用人機(jī)交互(GUI)方式，其過(guò)程較為繁雜和費(fèi)時(shí)。因此，為使ANSYS更方便地應(yīng)用于工程實(shí)踐，本文利用APDL命令流程序?qū)崿F(xiàn)了快速求圓鋸片簡(jiǎn)化模型以及復(fù)雜的實(shí)體模型的模態(tài)。

1 Ansys模態(tài)分析的主要步驟

ANSYS軟件是ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)軟件，其功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單方便。Ansys軟件提供了兩種工作模式：人機(jī)交互方式(GUI方式)和命令流輸入方式APDL方式(ANSYS Parameter Design Language—APDL)[3-4]。利用APDL方式可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模、施加參數(shù)化載荷與求解以及參數(shù)化后顯示處理結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)化有限元分析的全過(guò)程。在參數(shù)化的分析中可以簡(jiǎn)單地修改其中的參數(shù)達(dá)到反復(fù)分析各種尺寸、不同載荷大小的多種設(shè)計(jì)方案或者序列性產(chǎn)品，可極大地提高分析效率，減少分析成本[5]。

對(duì)于常用的結(jié)構(gòu)分析，ANSYS典型的分析過(guò)程主要包括以下內(nèi)容：

圖1中，分析前的準(zhǔn)備工作主要包括：清空數(shù)據(jù)庫(kù)并開(kāi)始一個(gè)新的分析→指定新的工作名(Jobname)→指定新的工作標(biāo)題(Title)→指定新的工作目錄(Working Directory)；通過(guò)前處理器(Preprocessor)建立模型的工作主要包括：定義單元類(lèi)型→定義單元實(shí)常數(shù)→定義材料屬性數(shù)據(jù)→創(chuàng)建或讀入幾何模型→劃分單元網(wǎng)格模型(節(jié)點(diǎn)及單元)→檢查模型→存儲(chǔ)模型；通過(guò)求解器(Solution)加載工作主要包括：選擇分析類(lèi)型并設(shè)置分析選項(xiàng)→施加載荷及約束/設(shè)置載荷步選項(xiàng)→進(jìn)行求解；通過(guò)后處理器工作主要包括：從計(jì)算結(jié)果中讀取數(shù)據(jù)→通過(guò)圖形化或列表的方式查看分析結(jié)果→分析處理并評(píng)估結(jié)果。

圖1 Ansys分析過(guò)程

2 用Ansys對(duì)鋸片簡(jiǎn)化模型進(jìn)行分析的方法

以圓鋸片簡(jiǎn)化模型為列進(jìn)行分析模態(tài)分析[6]，其參數(shù)為：內(nèi)徑30 mm，外徑300 mm，厚度2.2 mm，彈性模量203.7 Gpa，密度7 799.3 kg/m3，泊松比0.333 2，慣性載荷0 rad/s。

3 基本參數(shù)的設(shè)置

根據(jù)圓鋸片簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)外徑、彈性模量、泊松比、材料密度等相關(guān)參數(shù)設(shè)置等。對(duì)于鋸片簡(jiǎn)化模型的振型輸出，經(jīng)過(guò)上述步驟，鋸片簡(jiǎn)化模型各階固有頻率如表1所示，各階振型如圖3所示。

圖2 圓鋸片簡(jiǎn)化模型

表1 鋸片簡(jiǎn)化模型的固有頻率

圖3 圓鋸片簡(jiǎn)化模型振型圖

4 對(duì)于圓鋸片實(shí)體模型的分析實(shí)例

本研究以圓鋸片實(shí)體模型為例進(jìn)行分析模態(tài)分析，其CAD模型和網(wǎng)格化模型如圖4所示，其參數(shù)為：內(nèi)徑25.4 mm，外徑248.4 mm，厚度2 mm，彈性模量203.7 Gpa，密度7 799.3 kg/m3，泊松比0.333 2，慣性載荷0 rad/s。

圖4 鋸片實(shí)體模型

因?yàn)楹旋X部等圓鋸片細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，對(duì)于圓鋸片模型來(lái)說(shuō)，直接用ANSYS的方式建模不太現(xiàn)實(shí)，因?yàn)锳NSYS本身并不擅長(zhǎng)建立此類(lèi)細(xì)節(jié)復(fù)雜的模型，因此迫切需要尋找一種方法，將其他軟件的模型導(dǎo)入到ANSYS系統(tǒng)[7]。在此，選擇將圓鋸片行業(yè)內(nèi)常用的AutoCAD軟件模型導(dǎo)入Ansys軟件作為目標(biāo)進(jìn)行研究。經(jīng)過(guò)探究已解決該接口問(wèn)題。以下將詳述建模及其模型導(dǎo)入的步驟。

4.1 用AutoCAD對(duì)圓鋸片建模

建模時(shí)建議將圓鋸片圓心點(diǎn)移動(dòng)到AutoCAD系統(tǒng)的坐標(biāo)原點(diǎn)，以便后續(xù)導(dǎo)入時(shí)圖形與ANSYS系統(tǒng)原點(diǎn)重合，便于模型的呈現(xiàn)和觀察[8]。

4.2 創(chuàng)建面域

創(chuàng)建面域的工作至關(guān)重要(見(jiàn)圖5)，其設(shè)置方法主要步驟為：(1) 命令行中輸入boudary，打開(kāi)“邊界創(chuàng)建”命令窗口；(2) 菜單 → 繪圖(D)→ 邊界(B)，打開(kāi)邊界創(chuàng)建命令窗口。在“邊界創(chuàng)建”命令窗口中，將“對(duì)象類(lèi)型”改為“面域”，點(diǎn)擊“拾取點(diǎn)”，在圓鋸片內(nèi)部拾取一點(diǎn)，在“邊界創(chuàng)建”命令窗口中單擊“確定”即可完成面域的創(chuàng)建工作[9]。

圖5 面域創(chuàng)建窗口

4.3 將AUTOCAD圖形輸出為SAT格式文件

SAT文件輸出設(shè)置窗口如圖6所示。

圖6 SAT文件輸出設(shè)置窗口

4.4 將SAT格式文件導(dǎo)入到ANSYS軟件中

SAT文件導(dǎo)入ANSYS的過(guò)程見(jiàn)圖7。具體設(shè)置方法：打開(kāi)ANSYS軟件，選擇菜單 → File(文件)→ Import(導(dǎo)入)→ SAT，彈出“ANSYS Connection for SAT”窗口，選擇文件路徑，找到所保存的SAT文件，按“OK”鍵完成導(dǎo)入工作，調(diào)整模型在ANSYS中的視圖，得到如圖8所示模型[10]。

圖7 SAT文件導(dǎo)入ANSYS的過(guò)程

圖8 SAT文件導(dǎo)入ANSYS中的結(jié)果

5 輸出結(jié)果

經(jīng)過(guò)上述步驟，鋸片簡(jiǎn)化模型各階固有頻率如表2所示。

表2 鋸片實(shí)體模型的固有頻率

各階振型如圖9所示。

圖9 鋸片實(shí)體模型ANSYS振型

6 結(jié)論

本文基于目前對(duì)ANSYS分析圓鋸片應(yīng)用中的局限性，通過(guò)APDL命令流編程的方法，提供了完整的分析圓鋸片簡(jiǎn)化模態(tài)的方法。同時(shí)通過(guò)使用AutoCAD建立復(fù)雜圓鋸片的二維模型，完成加載求解和后處理等工作，解決了對(duì)圓鋸片復(fù)雜模型ANSYS無(wú)法進(jìn)行建模分析的難題。使APDL分析技術(shù)方法能完善、高效、易行和可準(zhǔn)確地應(yīng)用于圓鋸片模態(tài)分析。本研究對(duì)于類(lèi)似產(chǎn)品分析具有指導(dǎo)意義，且對(duì)結(jié)構(gòu)的熱分析等其他分析也具有較好借鑒價(jià)值。