吴 奇，董亚飞，王 正，宋得意，纪亚旭

(1.南京林业大学机械电子工程学院，南京 210037；2.南京林业大学材料科学与工程学院，南京 210037；3.南京田家炳高级中学，江苏南京 210000；4.哈尔滨市宾县农村公路事业发展中心，黑龙江 宾县 150400)

圆盘锯片方式锯切木材的圆锯机已有200多年的历史，目前圆锯机已被应用于木质材料和木质复合材料的纵锯、横截、裁边、开槽等锯切加工工序。圆锯片在工作过程中，处于高速旋转状态，因此在锯片设计中，必须重视其固有特性，因为一旦锯机工作频率与锯片的固有频率耦合时，将会导致共振现象。剧烈振动直接影响了锯切质量和锯片寿命，也严重影响生产安全、生产效率和成本，同时锯片剧烈振动产生的噪声也严重影响现场工作人员的身心健康[1]。因此需要对圆锯片的模态性能进行研究。在多种研究模态的方法中，使用ANSYS有限元分析软件的计算模态是一种较理想的模态分析手段[2]。但是目前的研究现状多集中在对于圆锯片简化模型(圆环)的分析上，且大多采用人机交互(GUI)方式，其过程较为繁杂和费时。因此，为使ANSYS更方便地应用于工程实践，本文利用APDL命令流程序实现了快速求圆锯片简化模型以及复杂的实体模型的模态。

1 Ansys模态分析的主要步骤

ANSYS软件是ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件，其功能强大，操作简单方便。Ansys软件提供了两种工作模式：人机交互方式(GUI方式)和命令流输入方式APDL方式(ANSYS Parameter Design Language—APDL)[3-4]。利用APDL方式可以实现参数化建模、施加参数化载荷与求解以及参数化后显示处理结果，从而实现参数化有限元分析的全过程。在参数化的分析中可以简单地修改其中的参数达到反复分析各种尺寸、不同载荷大小的多种设计方案或者序列性产品，可极大地提高分析效率，减少分析成本[5]。

对于常用的结构分析，ANSYS典型的分析过程主要包括以下内容：

图1中，分析前的准备工作主要包括：清空数据库并开始一个新的分析→指定新的工作名(Jobname)→指定新的工作标题(Title)→指定新的工作目录(Working Directory)；通过前处理器(Preprocessor)建立模型的工作主要包括：定义单元类型→定义单元实常数→定义材料属性数据→创建或读入几何模型→划分单元网格模型(节点及单元)→检查模型→存储模型；通过求解器(Solution)加载工作主要包括：选择分析类型并设置分析选项→施加载荷及约束/设置载荷步选项→进行求解；通过后处理器工作主要包括：从计算结果中读取数据→通过图形化或列表的方式查看分析结果→分析处理并评估结果。

图1 Ansys分析过程

2 用Ansys对锯片简化模型进行分析的方法

以圆锯片简化模型为列进行分析模态分析[6]，其参数为：内径30 mm，外径300 mm，厚度2.2 mm，弹性模量203.7 Gpa，密度7 799.3 kg/m3，泊松比0.333 2，惯性载荷0 rad/s。

3 基本参数的设置

根据圆锯片简化结构的特点进行内外径、弹性模量、泊松比、材料密度等相关参数设置等。对于锯片简化模型的振型输出，经过上述步骤，锯片简化模型各阶固有频率如表1所示，各阶振型如图3所示。

图2 圆锯片简化模型

表1 锯片简化模型的固有频率

图3 圆锯片简化模型振型图

4 对于圆锯片实体模型的分析实例

本研究以圆锯片实体模型为例进行分析模态分析，其CAD模型和网格化模型如图4所示，其参数为：内径25.4 mm，外径248.4 mm，厚度2 mm，弹性模量203.7 Gpa，密度7 799.3 kg/m3，泊松比0.333 2，惯性载荷0 rad/s。

图4 锯片实体模型

因为含有齿部等圆锯片细节结构，对于圆锯片模型来说，直接用ANSYS的方式建模不太现实，因为ANSYS本身并不擅长建立此类细节复杂的模型，因此迫切需要寻找一种方法，将其他软件的模型导入到ANSYS系统[7]。在此，选择将圆锯片行业内常用的AutoCAD软件模型导入Ansys软件作为目标进行研究。经过探究已解决该接口问题。以下将详述建模及其模型导入的步骤。

4.1 用AutoCAD对圆锯片建模

建模时建议将圆锯片圆心点移动到AutoCAD系统的坐标原点，以便后续导入时图形与ANSYS系统原点重合，便于模型的呈现和观察[8]。

4.2 创建面域

创建面域的工作至关重要(见图5)，其设置方法主要步骤为：(1) 命令行中输入boudary，打开“边界创建”命令窗口；(2) 菜单 → 绘图(D)→ 边界(B)，打开边界创建命令窗口。在“边界创建”命令窗口中，将“对象类型”改为“面域”，点击“拾取点”，在圆锯片内部拾取一点，在“边界创建”命令窗口中单击“确定”即可完成面域的创建工作[9]。

图5 面域创建窗口

4.3 将AUTOCAD图形输出为SAT格式文件

SAT文件输出设置窗口如图6所示。

图6 SAT文件输出设置窗口

4.4 将SAT格式文件导入到ANSYS软件中

SAT文件导入ANSYS的过程见图7。具体设置方法：打开ANSYS软件，选择菜单 → File(文件)→ Import(导入)→ SAT，弹出“ANSYS Connection for SAT”窗口，选择文件路径，找到所保存的SAT文件，按“OK”键完成导入工作，调整模型在ANSYS中的视图，得到如图8所示模型[10]。

图7 SAT文件导入ANSYS的过程

图8 SAT文件导入ANSYS中的结果

5 输出结果

经过上述步骤，锯片简化模型各阶固有频率如表2所示。

表2 锯片实体模型的固有频率

各阶振型如图9所示。

图9 锯片实体模型ANSYS振型

6 结论

本文基于目前对ANSYS分析圆锯片应用中的局限性，通过APDL命令流编程的方法，提供了完整的分析圆锯片简化模态的方法。同时通过使用AutoCAD建立复杂圆锯片的二维模型，完成加载求解和后处理等工作，解决了对圆锯片复杂模型ANSYS无法进行建模分析的难题。使APDL分析技术方法能完善、高效、易行和可准确地应用于圆锯片模态分析。本研究对于类似产品分析具有指导意义，且对结构的热分析等其他分析也具有较好借鉴价值。