铺设木质坪地的木块加工刀具参数优化方法与试验研究

论文摘要

在传统的刀具设计中,一般先进行材料研制,再制成刀具,而后切削试验,反复修改数次,才能推出一个刀具品种。这不仅要耗费大量时间和财力,而且效率往往很低,预见性不强。有限元法产生后,使得刀具研究的效率和精度有所提高,但早期的有限元法研究刀具多是先数学建模再编程计算,这种思路不仅费时而且精度不易控制。为了解决上述问题,本文将数值模拟技术引入到木材切削的研究中来,通过仿真模拟,分析切削时木材力学性能的变化规律及对刀具强度进行校核,确定刀具几何参数。本文还将基于模糊自适应卡尔曼滤波的径向基函数神经网络应用到木工刀具的优化设计中,这是本文的一大创新点,使高效、高精度地研制刀具成为可能。本课题的总体思路是通过大型有限元软件ANSYS来模拟切削初始阶段中木材的应力场变化,进而得出刀具受力的边界条件,依此为基础求出木材受切时的剪应力及最大等效应力,同时通过变化刀具前角分别对受切工件的变形及应力场进行有限元比较分析,从而确定刀具的优化前角;优化前角确定后,再通过对刀具进行强度校核确定后角优化值。木质材料材性不同,所需刀具几何参数也不同。对于不同的木质材料,如果能使用与之相适应的不同参数的刀具则会大大提高木质材料加工速度、加工质量及刀具的使用寿命。本文应用ANSYS、MATLAB及基于模糊自适应卡尔曼滤波的径向基函数神经网络对刀具进行虚拟优化设计,可为刀具优化设计提供一种值得参考的方法。本文所开展的主要工作如下:(1)通过试验测定不同木材的12个弹性常数及顺纹抗剪强度和顺纹抗拉强度。(2)在理论分析的基础上,应用ANSYS的前处理器建立木材切削的有限元模型,通过施加载荷,计算分析,完成对木材切削初始阶段的数值模拟。用SOLID95单元代替SOLID45单元,把数值模拟方法运用于木材切削的研究中是本文的一大创新点。(3)应用ANSYS后处理器提取计算结果并与试验结果进行比较,说明用本文所提出的方法进行木材切削过程分析是可行的。(4)由于木质材料性质的特殊性,切削必须要考虑树种、弹性常数、抗拉强度、含水率、切削方向等因素,这也使得木工刀具几何参数的选择具有较强的针对性。本文在ANSYS分析的基础上,通过对木材切削过程进行模拟、对刀具强度进行校核确定加工不同木材时所对应刀具的优化几何参数。(5)在MATLAB环境下,应用基于模糊自适应卡尔曼滤波的径向基函数神经网络编制刀具优化设计程序,应用该程序可高效、高精度地设计刀具。将基于模糊自适应卡尔曼滤波的径向基函数神经网络应用到木工刀具优化设计中是本文的又一大创新点。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 小木块坪地及其加工设备国内外现状及发展趋势
• 1.1.1 国内小木块坪地及其加工设备研究概况
• 1.1.2 国外小木块坪地及其加工设备研究概况
• 1.1.3 小木块坪地及其加工设备发展趋势
• 1.2 刀具研制方法的现状与发展
• 1.2.1 研究切削过程的方法
• 1.2.2 传统设计方法与虚拟设计方法的比较
• 1.3 虚拟设计方法在刀具研制中的发展状况
• 1.3.1 虚拟设计及其主要研究内容
• 1.3.2 虚拟设计特点
• 1.3.3 金属切削刀具研制中数值模拟方法的应用
• 1.3.4 木工刀具的研究现状
• 1.4 本文研究的目的、意义及主要工作
• 2 木材正交各向异性及弹性常数的测量
• 2.1 木材力学特性的一些基本假设
• 2.1.1 木材的正交各向异性
• 2.1.2 木材的线弹性
• 2.1.3 木材的均匀连续性
• 2.2 木材的弹性常数
• 2.2.1 木材试样
• 2.2.2 试验设备
• 2.2.3 试验方法
• 2.2.4 连线搭桥
• 2.2.5 压缩试验
• 2.3 木材顺纹抗剪强度
• 2.4 木材顺纹抗拉强度
• 2.5 本章小结
• 3 木材切削力计算公式的理论分析
• 3.1 刀具几何参数
• 3.2 切削力的合力和分力
• 3.3 切削力的计算
• 3.3.1 切削力的理论公式
• 3.3.2 切削力的经验公式
• 3.4 本章小结
• 4 基于ANSYS有限元分析的刀具几何参数确定
• 4.1 ANSYS有限元软件的用法简介
• 4.1.1 ANSYS理论基础
• 4.1.2 ANSYS软件的应用
• 4.1.3 ANSYS的特点
• 4.1.4 ANSYS数据接口程序
• 4.1.5 ANSYS分析的基本过程
• 4.2 基于ANSYS木材切削仿真的刀具前角的确定
• 4.2.1 利用ANSYS进行前处理
• 4.2.2 查看分析结果——后处理
• 4.2.3 有限元处理结果分析
• 4.2.4 刀具前角的确定
• 4.3 基于ANSYS刀具强度校核的刀具后角的确定
• 4.3.1 刀具参数及其ANSYS建模
• 4.3.2 刀具模拟加载及结果分析
• 4.3.3 刀具后角优化
• 4.4 试验验证
• 4.4.1 刀具的磨损形态及一般图像特征
• 4.4.2 后刀面磨损
• 4.4.3 验证刀具优化参数试验
• 4.5 本章小结
• 5 人工神经网络模型的建立
• 5.1 人工神经网络的特点及结构原理
• 5.1.1 人工神经网络的特点及其应用领域
• 5.1.2 人工神经网络结构原理及算法
• 5.2 径向基函数神经网络基本原理
• 5.3 径向基函数网络学习算法
• 5.3.1 梯度下降法
• 5.3.2 模糊自适应卡尔曼滤波法
• 5.4 本章小结
• 6 MATLAB环境下小木块加工机刀具虚拟优化设计
• 6.1 神经网络优化刀具几何参数的思路及方法
• 6.2 刀具虚拟优化设计流程框图
• 6.3 MATLAB环境下的刀具优化设计程序
• 6.3.1 MATLAB程序与工具箱系统主要特点和功能
• 6.3.2 径向基函数的网络设计
• 6.3.3 网络输入变量归一化处理
• 6.3.4 MATLAB环境下的刀具虚拟优化设计
• 6.4 本章小结
• 7 小木块加工机刀具优化设计实例及试验验证
• 7.1 网络模型验证
• 7.2 刀具优化结果试验验证
• 7.2.1 试验材料
• 7.2.2 试验仪器和设备
• 7.2.3 试验方法
• 7.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢