金剛石圓鋸片的振動(dòng)可靠性研究

　　從本質(zhì)上來講，可靠性所代表的，是某種產(chǎn)品在不同工作環(huán)境當(dāng)中的安全問題，其是用于衡量產(chǎn)品品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。鋸切加工硬脆性材料的金剛石圓鋸片屬于典型的超薄零件，其厚度比一般都在100以上。由于金剛石圓鋸片的工作環(huán)境比較惡劣，在高速旋轉(zhuǎn)的工作條件下普遍存在振動(dòng)問題。在鋸切過程中，金剛石圓鋸片一旦發(fā)生共振，輕則產(chǎn)生噪聲污染，影響操作者的身心健康；重則造成鋸片變形，釀成嚴(yán)重的事故。因此必須以合適的概率保證設(shè)計(jì)的鋸片結(jié)構(gòu)不發(fā)生共振，對(duì)金剛石圓鋸片進(jìn)行可靠性及靈敏度分析是一個(gè)有價(jià)值的研究?jī)?nèi)容。
　　一、隨機(jī)概率有限元法分析
　　簡(jiǎn)單來說，蒙特卡洛方法又被叫做隨機(jī)抽樣，或者是統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，此方法在解決可靠性問題方面能夠比較逼真地描述具有隨機(jī)性質(zhì)的事物特點(diǎn)及物理過程，具有直觀易見、計(jì)算精度高、程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是計(jì)算量比較大，不能應(yīng)用于大型機(jī)構(gòu)可靠性計(jì)算中；收斂速度較慢；誤差具有概率性等。有限元法是當(dāng)前工程技術(shù)界應(yīng)用最廣泛、實(shí)用性最強(qiáng)的數(shù)值模擬方法。它是一種采用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬的分析技術(shù)。本質(zhì)上是把研究對(duì)象簡(jiǎn)化為離散的、幾何形狀較簡(jiǎn)單的眾多單元體的組合，利用節(jié)點(diǎn)連接的方式將離散的單元體連成一個(gè)整體，從而得到該連續(xù)體力學(xué)問題的數(shù)值解。隨機(jī)概率有限元方法是蒙特卡洛法與有限元法的結(jié)合，使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行樣本函數(shù)抽樣，模擬實(shí)際工況中的特征量，并對(duì)每個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行確定的有限元分析[1，2]。采用ANSYS隨機(jī)概率有限元法可有效分析各個(gè)隨機(jī)參數(shù)對(duì)金剛石鋸片振動(dòng)可靠性的影響。由于影響金剛石圓鋸片固有頻率的因素有很多，所以在分析過程中，將其主要影響因素抽象為服從某種概率分布的不確定性客觀變量。利用Monte-Carl法研究這些變量的分布特征及其對(duì)金剛石圓鋸片可靠性的影響程度，從而確定主要影響因素并計(jì)算參數(shù)的可靠性敏感程度。
　　二、金剛石圓鋸片的可靠性分析
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　　金剛石圓鋸片鋸切石材的過程屬于高速旋轉(zhuǎn)的加工過程，當(dāng)外界的某一激勵(lì)頻率與鋸片本身的固有頻率相接近時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。根據(jù)可靠性干涉理論，定義gij為可靠度的失效狀態(tài)函數(shù)，其公式為：
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　　式中：Wi―――結(jié)構(gòu)的第i階固有頻率；pj―――第j個(gè)激勵(lì)頻率。由于金剛石圓鋸片的固有頻率和激勵(lì)頻率接近到何種程度才會(huì)發(fā)生共振并沒有明確的規(guī)定，因此將接近程度定義為Y（即共振閥值）解決這一問題。因此鋸片在某一激勵(lì)下產(chǎn)生的共振概率為：
　　（2）
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　　運(yùn)用ANSYS概率設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行金剛石圓鋸片結(jié)構(gòu)可靠性分析的步驟如下：
　　（1）建立模型。由于在ANSYS中直接建立金剛石圓鋸片的模型比較困難，所以選擇在CAD軟件CATIA中建立其三維實(shí)體模型，然后導(dǎo)入到ANSYS軟件中。
　?。?）定義金剛石圓鋸片的單元類型和材料特性。采用SOLID95單元，20個(gè)節(jié)點(diǎn)定義?；w主要成分為65Mn，刀頭主要成分為Cu+Co+Ni合金。
　?。?）劃分網(wǎng)格。采用四面體映射網(wǎng)格劃分法。首先在鋸片的24個(gè)結(jié)塊中取其中一個(gè)鋸齒進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后利用布爾運(yùn)算功能將結(jié)塊和基體分開，以便能分別定義材料屬性。
　?。?）加載并求解，進(jìn)入可靠性分析模塊。金剛石圓鋸片的固有頻率主要由金剛石圓鋸片的厚度，直徑和法蘭盤直徑三個(gè)參數(shù)決定。因此，將三個(gè)主要參數(shù)設(shè)定為隨機(jī)參數(shù)，如表1所示。將金剛石圓鋸片的固有頻率設(shè)定為隨機(jī)輸出變量，采用蒙特卡洛模擬法對(duì)金剛石圓鋸片進(jìn)行可靠性計(jì)算。
　　已有研究結(jié)果表明：普通金剛石圓鋸片在低頻范圍內(nèi)橫向振動(dòng)最為集中；其中最容易發(fā)生共振的頻率范圍在440～710Hz。由于經(jīng)驗(yàn)閥值Y的設(shè)定范圍為固有頻率的2%～5%，對(duì)于非高速重載的工況可按閥值的下限來計(jì)算。因此設(shè)定Y=10，在程序中設(shè)定失效狀態(tài)函數(shù)為Z。