圆锯片结构拓扑优化及疲劳寿命分析

发布时间：2017-07-31 10:38

  本文关键词：圆锯片结构拓扑优化及疲劳寿命分析

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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。
【关键词】：圆锯片 拓扑优化 疲劳寿命
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG717
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 1 绪论9-13
• 1.1 引言9
• 1.2 研究背景及意义9-10
• 1.2.1 研究背景9
• 1.2.2 研究意义9-10
• 1.3 国内外研究现状10-11
• 1.3.1 圆锯片的研究现状10-11
• 1.3.2 拓扑优化的研究现状11
• 1.4 本文研究的主要内容及论文结构11-12
• 1.5 本章小结12-13
• 2 拓扑优化的理论基础13-22
• 2.1 引言13
• 2.2 拓扑优化原理13-14
• 2.3 连续体结构拓扑优化方法14-19
• 2.3.1 均匀化方法15-16
• 2.3.2 渐进结构优化法16-17
• 2.3.3 独立连续映射法17
• 2.3.4 水平集法17-18
• 2.3.5 变密度法18-19
• 2.4 拓扑优化的求解算法19-21
• 2.4.1 优化准则算法19-20
• 2.4.2 数学规划法20
• 2.4.3 智能算法20-21
• 2.5 连续体结构拓扑优化基本过程21
• 2.6 本章小结21-22
• 3 圆锯片固有特性及动态响应分析22-37
• 3.1 引言22
• 3.2 圆锯片工况分析22-23
• 3.3 圆锯片的模态分析23-31
• 3.3.1 APDL参数化建模原理23-24
• 3.3.2 有限元模型的建立24-27
• 3.3.3 考虑预应力时圆锯片的模态分析27-29
• 3.3.4 预应力对圆锯片模态分析的影响29-31
• 3.4 圆锯片动态响应分析31-36
• 3.4.1 载荷步的设置31-32
• 3.4.2 动态响应分析32-33
• 3.4.3 圆锯片不同位置测试点的应力分析33-36
• 3.5 本章小结36-37
• 4 圆锯片的结构拓扑优化分析37-49
• 4.1 引言37
• 4.2 拓扑优化的ANSYS分析37-38
• 4.3 圆锯片拓扑优化设置38-40
• 4.3.1 单元类型的设置38-39
• 4.3.2 工况设置39
• 4.3.3 拓扑优化设置39-40
• 4.4 拓扑优化的结果40-45
• 4.4.1 材料去除 50%40-41
• 4.4.2 材料去除 40%41-42
• 4.4.3 材料去除 30%42-43
• 4.4.4 材料去除 20%43-45
• 4.4.5 拓扑优化的结果分析45
• 4.5 拓扑最优化结构分析45-48
• 4.5.1 结构设计45-46
• 4.5.2 模态分析46-47
• 4.5.3 动态响应分析47-48
• 4.6 本章小结48-49
• 5 圆锯片优化结构的疲劳寿命分析49-59
• 5.1 引言49
• 5.2 疲劳理论概述49-53
• 5.2.1 疲劳破坏49
• 5.2.2 金属材料的S-N曲线49-51
• 5.2.3 平均应力的影响51-53
• 5.2.4 疲劳累积损伤理论53
• 5.3 圆锯片疲劳寿命分析53-58
• 5.3.1 65Mn钢材的S-N曲线数学表达53-55
• 5.3.2 圆锯片危险点对比分析55-56
• 5.3.3 圆锯片优化前后疲劳寿命分析56-58
• 5.4 本章小结58-59
• 6 结论与展望59-61
• 6.1 全文总结59
• 6.2 工作展望59-61
• 致谢61-62
• 附录62-63
• 参考文献63-64

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本文编号：598768