降噪减振结构金刚石圆锯片的有限元模态分析模型

　　1　引言

　　普通金刚石圆锯片在锯切时会产生刺耳难忍的噪音,其强度常超过100db以上[1]。随着人们环保意识的增强,噪音控制已成为设计金刚石圆锯片的重要指标。

　　降噪型金刚石圆锯片基体及锯齿结构的具体优化方法很多,典型的金刚石圆锯片降噪结构之一是在基体上开细缝,然后用阻尼材料填充,就目前情况来看,这是比较简易、经济、可行的方法。该方法的消音原理是节块与被切割材料间因摩擦和撞击所产生的振动在基体上的传播受到消音细缝的阻尼作用而消减,使噪声的产生、共鸣及反弹减弱[2]。但细缝及水槽等特殊结构将使应力分布、变形状态等具有特殊性。目前有关的研究大多只是针对较少节点、单元的前几十阶模态分析,且将锯片模型简化为单一圆板,没有考虑锯齿节块、水槽等对锯片的影响[3,4],计算精度及分析量远远不够。因此,本文的研究将锯片锯齿节块、水槽考虑在内,采用有限元软件ANSYS,对阻尼细缝结构金刚石圆锯片的固有频率和模态振型进行分析,研究了阻尼细缝的形状、宽度等参数在锯片降噪减振中的影响,讨论了影响因素、变化规律以及降噪锯片的合理结构参数,为减振降噪锯片的结构设计提供理论依据。

　　2　计算模型

　　圆锯片工作过程中,无论空转或切削,噪声频谱都呈明显的宽带高频特性,噪声主要能量分布在2000~4000Hz的高频区内[4]。为充分了解阻尼细结构对金刚石圆锯片的影响,本文将分析范围进行扩展,因低频噪声的辐射效率很低[5],故只将分析范围往高频区扩展,即求解2000~6000Hz内的各阶模态。模态分析采用的模态提取法为“Block Lanczos”即分块的兰索斯法,该方法适用于模型有壳或壳加实体组成情况,用于大模型的多阶模态,收敛速度快。建立降噪金刚石圆锯片的有限元模型可以在ANSYS中实现,将金刚石圆锯片视为平面应力情况考虑,在锯切过程中受到的零位移载荷为受全约束的内孔。金刚石圆锯片各部分的材料特性见表1,结构参数见表2。

　　细缝填充阻尼材料选择ZN31,其填充粘结性好,适合在高温环境下工作,材料性质如表3所示[5]。

　　根据有限元理论,对连续体划分单元进行研究时,单元划分得越多其计算结果也越接近实际值。选用板壳单元Shell 63,将圆锯片划分为2000多个单元,且在细缝周围网格密度增大,保证了有限元模型的精确性。普通锯片和阻尼细缝锯片模型的网格划分情况如图1所示。

　　3　计算结果

　　本文设计了多种参数各异的阻尼细缝结构金刚石圆锯片模型,对其进行有限元模态分析,得到各锯片模型在2000~6000Hz范围内的各阶固有频率及相应的模态振型。从总体上看,金刚石圆锯片的模态非常密集,在2000~6000Hz范围内,出现一百多阶模态,因此锯片在工作中,想通过某种途径完全避开共振频率几乎是不可能的,只有采取能够在宽频带范围内减弱锯片整体振动、降低噪声辐射效率的方法,才能有效地降低锯切时产生的噪声[3]。从各振型图可看出,锯片的模态振型主要可分为两大类:强振型与弱振型。在强振型中,锯片大部分区域都出现了比较强烈的振动(见图2a);而在弱振型中,大部分区域的振幅很小,锯片整体几乎接近平稳状态(见图2b)。