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锯材应力分等试验机结构分析与仿真验证

作　者: 王帆
导　师: 张伟
学　校: 中国林业科学研究院
专　业: 材料加工工程
关键词: 锯材应力分等机 SolidWorks 三维实体建模运动仿真模态分析
分类号: TH87
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 2次
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内容摘要

中国是世界上木材资源贫乏国之一,木材资源分布不均、总量很少、质量较差,由于人口基数过大,人均木材资源占有率更是远低于低于世界平均水平。依据我国这一基本情况,如何合理利用木材和提高木材利用率成为当前木工行业的关键问题,而对木材的科学分等是实现木材合理利用以及提高木材利用率的一大基础。木材按其强度性能指标可被划分成若干个等级,称作木材的强度等级分等,简称木材分等。本论文的目的在于以研制简易精确的锯材应力分等试验机,预测应力分等试验机的性能,降低机械应力分等成本,推广机械分等技术。介绍锯材应力分等试验机,其结构主要是由机架、电机、滚轮总成、压紧框、气缸、加载装置和底座等零部件构成。形成了结构用锯材应力分等试验机试机械图纸并确定了采用上下分别加载方式,以保证数据采集的合理性,形成了分等设备结构的设计方案。在参照国外先进木材分等机械的研究基础上,进行一定的创新,完成自发研制的锯材应力分等试验机。该设备采用连续进给机构,可实现锯材位移量和作用力在线控制,实时控制,增加分等的准确性。驱动速度可调,满足不同需求；采用整体浮动式结构,双气缸支撑夹紧支撑辊保证锯材连续通过,满足快速分等的要求；采用工控机和Labview采集控制模式,实现数据采集与处理,防干扰强,操作界面方便友好；气缸加载方便,而测量精度不收气缸系统影响,提高了木材测试的工作效率。分等试验机是由电机驱动若干主动轮转动,气缸控制压紧框控制压紧辊下压锯材压紧,加载装置为施加恒定载荷的装置,使锯材发生弯曲变形,支撑底座为支撑整台设备的装置。该设备设有相应的测力传感器,将所测得的数据通过测力传感器传输到计算机系统,算出该结构用木材的抗弯弹性模量的数据,并将该数据与设定的数据进行分级组进行对比,对被测结构用木材做出强度分级,并将该分级结果输出。本论文主要对锯材机械应力分等技术及试验机进行研究,为木材应力分等提供新的技术支持及介绍锯材应力分等试验机的主体结构和特点。利用SolidWorks软件对锯材应力分等试验机进行三维实体建模和装配,再利用SolidWorks Motion对应力分等机进行运动仿真。通过对锯材三种不同进给速度的对比分析,验证了锯材应力分等试验机结构设计的合理性和正确性。采用不同木材进给速度进行运动仿真,结果表明以为500mm/s的速度进给较为合适,为设计应力分等试验机提供了可靠的木材进给速度,为确定分等试验机主动轮的传送速度提供了依据。当锯材进给速度达到1000mm/s时,锯材与加载辊的接触力波动较大,锯材对分等机械设备的冲击也较大,锯材应力分等试验机的工作状态不稳定,因此锯材进给的速度对试验设备的检测性能影响较大,在后续的实验研究中应注重对锯材进给速度的测试,这为下一步开展锯材应力分等试验机有限元分析及优化设计提供了理论依据。从锯材应力分等试验机多跨度的SolidWorks Motion仿真可以看出各个受力情况较为平缓,规律性明显,可得出该分等设备可进行多跨度的锯材应力分等工作,且分等设备性能良好,能满足不同跨距工作的需要。以SolidWorks Motion为平台在计算机上创建虚拟样机来模拟复杂机械系统的整个运动,从而达到提高设计质量、节约成本、节省时间的目的：方法先进,结果可靠,效率很高,避免了设计、制造分等试验设备进行反复试验及设计修改的环节。通过计算机软件平台,对锯材应力分等试验机的工作状态进行运动仿真分析,能及时准确地发现设计环节中的缺陷,并根据相应的分析结果进行实时修改,为进一步的分析以及优化打下基础,具有很高的实际指导意义。锯材应力分等试验机机架是采用铝型材拼装成型的。所谓铝型材即使用铝这种材料通过热熔后,挤压变形后通过模具造型得到各种截面形状的铝结构。它具有质量轻、强度高、便于组装成型等优点。机架是锯材应力分等试验机所有零部件实现安装的根本结构,并提供锯材分等试验机加载装置和相连力学传感器的安装位置,及为完成锯材挠性弯曲变形的工作状态的一系列辅助机械零部件的提供安装部位。机架在加载条件下的变形直接影响到设备能否正常运行,因此锯材应力分等试验机机架还应该具有较高强度和刚度。机架在加载条件下的变形直接影响到试验机能否正常运行。机架结构就其连接形式而言比较单一,即焊接和螺栓连接两种形式。同时,对锯材应力分等试验机机架进行有限元模态分析,得到机架的4阶模态振型和基本频率,同时找到机架各阶模态的最大受力点和最大变形处,对比具有一定的对称性的部分机架的4阶模态,所得结论为防止共振和后续进行谐响应分析、瞬态动力学分析以及结构动力特性的优化设计提供了理论依据。通过SolidWorks Simulation仿真模块对锯材应力分等试验机的机架进行分析计算,得到机架的固有谐振频率,利用动态显示可以观察各阶振型、变形、位移分布状态,结果非常直观,在木材机械分等过程中考虑机架的固有频率和振型,避免发生共振,影响传动效率。锯材应力分等试验机工作过程中,最主要的外界激励是来自电机振动。电机振动频率低于锯材应力分等试验机机架的最低阶固有频率,故该机架结构在电机运转过程中,不会与电机发生共振。从锯材应力分等试验机机架模态分析的结果可以看出,木材应力分等试验机机架变形量较小,符合稳定性的设计要求。模态分析的重要性不仅在于避免结构在工作时发生共振,还是分析结构动态响应和其他动力特性的基础。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-17
第一章绪论  17-30
  1.1 木材分等方法  17-18
  1.2 木材机械应力分等技术  18-20
    1.2.1 木材机械分等技术简介  18-19
    1.2.2 木材机械应力分等的工作原理  19-20
  1.3 国内外木材机械应力分等技术的研究  20-22
    1.3.1 木材机械应力分等技术的发展  20-21
    1.3.2 木材机械应力分等技术的相关标准  21-22
  1.4 锯材机械应力分等机的研究  22-26
    1.4.1 锯材应力分等机的发展  22-23
    1.4.2 国内外研发的锯材应力分等设备  23-26
  1.5 研究的目的与意义  26-27
    1.5.1 论文研究的目的  26
    1.5.2 论文研究的意义  26-27
  1.6 研究的主要内容  27-28
  1.7 技术路线与研究方法  28-29
    1.7.1 技术路线  28
    1.7.2 研究方法  28-29
  1.8 小结  29-30
第二章锯材机械应力分等的实现结构  30-38
  2.1 锯材应力分等试验机设计方案  30-33
    2.1.1 锯材应力分等试验机的整体结构  30-32
    2.1.2 锯材应力分等机的主要技术难点和问题  32-33
    2.1.3 锯材应力分等试验机的特点  33
  2.2 锯材应力分等试验机的工作原理  33-34
  2.3 锯材应力分等试验机的工作过程  34
  2.4 锯材应力分等试验机的技术参数与创新点  34-35
  2.5 锯材应力分等试验机的有限元分析过程  35-36
  2.6 小结  36-38
第三章锯材应力分等试验机运动仿真及分析  38-52
  3.1 运动仿真原理  38-39
    3.1.1 Solidworks Motion的假设  38
    3.1.2 Motion基本定律  38-39
  3.2 创建仿真模型  39-45
    3.2.1 创建三维实体模型  39-40
    3.2.2 创建运动算例  40-41
    3.2.3 定义锯材应力分等试验机的运动模型  41-42
    3.2.4 运动分析的结果后处理  42-45
  3.3 多跨度分等的运动分析  45-50
  3.4 运动仿真分析后处理  50-51
  3.5 小结  51-52
第四章锯材应力分等试验机机架的有限元模态分析  52-64
  4.1 有限元模态分析概述  52-53
    4.1.1 基于SolidWorks Simulation有限元模态分析的主要过程  52-53
    4.1.2 SolidWorks Simulation有限元模态分析的基本假设  53
    4.1.3 SolidWorks Simulation有限元模态分析的作用  53
  4.2 有限元模态分析的基本理论  53-54
  4.3 有限元模型的建立  54-56
    4.3.1 建立实体建模,定义模型的属性和约束  54-55
    4.3.2 选择单元类型  55
    4.3.3 简化有限元模型  55
    4.3.4 网格划分  55-56
  4.4 模态分析的运行  56-57
  4.5 结论分析与讨论  57-63
  4.6 小结  63-64
第五章结论与展望  64-67
  5.1 结论  64-65
  5.2 展望  65-67
参考文献  67-71
在读期间的学术研究  71-72
致谢  72

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