ANSYS床身有限元結(jié)構(gòu)分析

2013-06-03 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

床身是車床的重要基礎(chǔ)件,它的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性直接影響車床的加工精度及精度穩(wěn)定性。以CK6136型數(shù)控車床為研究對(duì)象,采用proeWildfire 3.0建立床身的實(shí)體模型,借助大型有限元軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行靜力分析與模態(tài)分析。靜力分析結(jié)果表明該機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過于保守,3個(gè)方向的剛度分布不均勻;模態(tài)分析結(jié)果表明床身的上面及床身后側(cè)面的局部剛度比較薄弱。根據(jù)有限元分析結(jié)果,對(duì)CK6136型數(shù)控車床的床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,確定合理的床身結(jié)構(gòu),為CNC數(shù)控車床設(shè)計(jì)與制造提供理論依據(jù)。

作者: 魏國(guó)峰*宮瑩*王巍*陳佳瑩來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: ansys 數(shù)控車床床身有限元靜力分析模態(tài)分析

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展,數(shù)控車床以其高精度、高質(zhì)量、高效率等優(yōu)良加工性能在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中使用越來越廣泛,而數(shù)控車床的床身作為數(shù)控車床的關(guān)鍵性基礎(chǔ)部件對(duì)保證數(shù)控車床的加工性能起著至關(guān)重要的作用。因此,開展對(duì)數(shù)控車床床身的動(dòng)靜態(tài)特性研究對(duì)提高數(shù)控車床加工性能大有益處。本文以CK6136數(shù)控車床床身為研究對(duì)象,采用大型有限元分析軟件ANSYSl0.0對(duì)其進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析,并根據(jù)結(jié)果對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,從而提高數(shù)控車床的動(dòng)靜態(tài)特性,增強(qiáng)其加工性能和降低生產(chǎn)成本。
1 床身的有限元模型建立
有限元分析的最終目的是要還原一個(gè)實(shí)際工程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)行為特征。因此,在對(duì)具體問題進(jìn)行有限元分析時(shí),首先需要建立針對(duì)該問題的有限元模型。建立有限元模型是進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ),而選擇合理的建模方法是建立準(zhǔn)確的有限元模型的關(guān)鍵。針對(duì)ANSYS軟件實(shí)體建模功能相對(duì)薄弱的缺點(diǎn),本文采用的建模方法是在三維CAD軟件proeNGINEER Wildfire3.0中建立床身結(jié)構(gòu)實(shí)體模型,然后利用ANSYS10.0提供的與proe的接口功能,將proe中建立的床身結(jié)構(gòu)實(shí)體模型導(dǎo)入到ANSYS中,從而建立床身的有限元模型。CK6136數(shù)控車床床身結(jié)構(gòu)為不規(guī)則的空間幾何模型,床身結(jié)構(gòu)尺寸為2 150mm×380 mm×330mm,材料為HT200,密度為7.8×10³kg/m³,彈性模量為110GPa,泊松比為0.26。為了有限元分析的便利,有必要在建立床身有限元模型時(shí)對(duì)其實(shí)體模型進(jìn)行諸如忽略各處過渡圓角以及床身內(nèi)部筋板的連接方式為理想焊接形式等方面的簡(jiǎn)化。圖1所示為由proe導(dǎo)入到ANSYS中的數(shù)控車床床身實(shí)體模型。

圖1 由proe導(dǎo)入到ANSYS中的數(shù)控車床床身實(shí)體模型

本文選用ANSYS10.0提供的SOLID92模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分,最后得到如圖2所示的床身有限元模型。

圖2 數(shù)控車床床身有限兀模型

2 數(shù)控車床結(jié)構(gòu)靜力分析
根據(jù)實(shí)際工況分析,對(duì)床身施加約束和載荷,經(jīng)求解和后處理,具體分析如下:
1)精度分析。從圖3所示的床身單元應(yīng)力偏差SDSG分布云圖可知,大部分區(qū)域的應(yīng)力偏差SDSG值在0~4.869MPa之間,局部區(qū)域的單元應(yīng)力偏差SDSG值在19.475MPa左右,說明床身導(dǎo)軌的網(wǎng)格劃分密度良好,能保證計(jì)算結(jié)果具有較高的精度。但從分布圖看出局部出現(xiàn)應(yīng)力偏差值高達(dá)43.82MPa,這是由于床身與床鞍聯(lián)接處存在尖角導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象。這種應(yīng)力集中是由于幾何構(gòu)造或載荷引起彈性理論計(jì)算應(yīng)力值較大,它不會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的分析。

圖3 床身單元應(yīng)力偏差SDSG分布云圖

2)應(yīng)力分析。從圖4床身節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力Von Mises分布云圖可知,床身大部分區(qū)域的等效應(yīng)力Von Mises值在0~2.475MPa之間,最大值為22.276MPa,位置在床身與底座的螺釘連接處,但此處的應(yīng)力值遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度極限,其應(yīng)力集中不會(huì)影響床身的剛度。床身大部分安全系數(shù)N在10以上,其設(shè)計(jì)的安全系數(shù)較大,從應(yīng)力分析角度看,材料抵抗破壞的能力還是有很大潛力的。綜合評(píng)價(jià):床身的設(shè)計(jì)趨于保守,能在危險(xiǎn)工況下安全工作,而且具有較大的優(yōu)化空間,可通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化來合理而又經(jīng)濟(jì)的使用材料。

圖4 床身節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力Von Mises分布云圖

3)剛度分析。從圖5床身結(jié)構(gòu)X向變形分布圖,圖6床身結(jié)構(gòu)y向變形分布圖以及圖7床身結(jié)構(gòu)Z向變形分布圖可知,床身導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)大部分區(qū)域的總變形Traslation USUM最大值為0.006077mm,位于床身導(dǎo)軌中間處,3個(gè)方向的變形Traslation USUM值分布不均勻。由于在建模時(shí)對(duì)床身表面及絲桿螺孑L施加了約束,在床身表面附近的變形值較小。結(jié)構(gòu)在3個(gè)方向的最大位移分別為0.002087mm、0.001022mm、0.005868mm,說明床身結(jié)構(gòu)變形較小,能在最大承載條件下保證加工產(chǎn)品有較高的精度,結(jié)構(gòu)在3個(gè)方向的位移有一定的差距,說明在3個(gè)方向剛度分布有些不均勻,可以通過調(diào)整結(jié)構(gòu)來改進(jìn)剛度的合理分布。

圖5 床身結(jié)構(gòu)X向變形分布圖圖6 床身結(jié)構(gòu)X向變形分布圖

圖7 床身結(jié)構(gòu)X向變形分布圖

3 床身結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析
模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)或機(jī)器常見的振動(dòng)特性——固有頻率和振型(模態(tài)形狀)。通過計(jì)算CK6136型數(shù)控車床床身的固有頻率和振型,來分析床身的動(dòng)態(tài)特性及結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度的薄弱環(huán)節(jié),其分析結(jié)果可作為對(duì)床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)的理論依據(jù)。利用ANSYS10.0軟件提供的Subspace法對(duì)床身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析,并提取前5階振型。其固有頻率如表1所示,床身各階振型圖如圖8~圖12所示,現(xiàn)對(duì)結(jié)果分析如下:

表1 床身結(jié)構(gòu)的前5階固有頻率和振型

從床身各階振型圖中可以看出,床身的一、二階振型為整體振型,整體剛度較好,從第三階開始出現(xiàn)了局部振型,尤其是床身上表面出現(xiàn)了彎振以及后側(cè)面的彎振,可以看出床身的上面及床身后側(cè)面的局部剛度還比較薄弱,有必要對(duì)上面四周結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)以提高其局部剛度。從床身導(dǎo)軌前五階固有頻率值可以看出,床身的同有頻率在237~647Hz之間,該振動(dòng)頻率范同均比主軸箱的同有頻率低,說明主軸箱的同轉(zhuǎn)振動(dòng)不會(huì)引起床身的共振。

圖8 床身第一階模態(tài)振型圖圖9 床身第一階模態(tài)振型圖

圖10 床身第一階模態(tài)振型圖圖11 床身第一階模態(tài)振型圖

圖12 床身第一階模態(tài)振型圖

4 床身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
依據(jù)床身有限元結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果,可知原床身結(jié)構(gòu)存在局部結(jié)構(gòu)不合理和原設(shè)計(jì)太保守造成床身重量過大等缺點(diǎn)?，F(xiàn)進(jìn)行如下優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)果如圖13所示。

圖13優(yōu)化后的床身結(jié)構(gòu)實(shí)體模型

1)為減小中問橫梁與床頭、床尾板的厚度差,將原床身中間四方型整體式橫梁結(jié)構(gòu)改成T字型筋板結(jié)構(gòu);
2)通過減少床身與床頭箱接觸的凹槽的深度和增加接觸處的過渡圓角來增強(qiáng)其剛度;
3)在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,減小床尾的板厚,將該處的厚度由原來的100mm減至15mm,將整體式尾座墊板結(jié)構(gòu)改成殼型結(jié)構(gòu);
4)將床頭處墊板厚度由50mm減少至15mm,將整體式尾座墊板結(jié)構(gòu)改成殼型結(jié)構(gòu);
5)將床身兩側(cè)板的厚度由原尺寸50mm減少至15mm,將整體式結(jié)構(gòu)改成殼型結(jié)構(gòu)。
5 結(jié)束語
本文根據(jù)對(duì)CK6136型數(shù)控車床床身進(jìn)行包括靜力分析和模態(tài)分析在內(nèi)的有限元結(jié)構(gòu)分析,找到原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理之處,并根據(jù)有限元分析結(jié)果,對(duì)床身進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,確定合理的床身結(jié)構(gòu)。采用有限元結(jié)構(gòu)分析方法可以為機(jī)床設(shè)計(jì)與制造提供有力的理論依據(jù),使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)階段最大可能性地評(píng)估與預(yù)測(cè)機(jī)床的動(dòng)靜態(tài)特性,從而優(yōu)選設(shè)計(jì)方案。

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