基于Pro/MECHANICA的機(jī)床拖板有限元模態(tài)分析

2013-05-07 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

本文介紹了基于Pro/MECHANICA的機(jī)床工作臺(tái)拖板的有限元建模和分析過(guò)程,并將分析結(jié)果與常用的通用有限元分析軟件ANSYS的分析結(jié)果進(jìn)行了比較。通過(guò)比較得出結(jié)論:有限元工程師完全可以利用Pro/MECHANICA軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)體建模和有限元計(jì)算的無(wú)縫集成,并且能夠保證有限元分析的計(jì)算精度,提高設(shè)計(jì)工程師的工作效率。
一、引言

機(jī)床支承件(如床身、立柱、拖板等)是機(jī)床的基礎(chǔ)部件,起著承受力和容納各種零部件作用。支承件的動(dòng)態(tài)性能直接影響到加工工件的精度和生產(chǎn)效率,所以要求設(shè)計(jì)出的機(jī)床支承件必須具有足夠的動(dòng)、靜態(tài)剛度。

長(zhǎng)期以來(lái),國(guó)內(nèi)外機(jī)床支承件一般采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),但為了保證機(jī)床具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能,并盡可能減輕其重量,就要進(jìn)行精密的理論計(jì)算。機(jī)床支承件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,至今尚未找到一種精確的方法來(lái)計(jì)算其動(dòng)態(tài)性能。但隨著計(jì)算技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,工程師可以依靠數(shù)值方法給出近似的、較令人滿意的答案。目前,在諸多方法中,用有限元建立機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力分析的數(shù)學(xué)模型已成為其理論建模中最重要的方法。盡管有限元法還屬于一種近似計(jì)算方法,對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受力情況和阻尼情況復(fù)雜的支承件來(lái)說(shuō)計(jì)算精度并不是很高,但它對(duì)于計(jì)算支承件動(dòng)態(tài)性能仍是一種最有效的方法。目前,用它來(lái)計(jì)算一般復(fù)雜程度的支承件的動(dòng)態(tài)性能,完全可以得到較為滿意的計(jì)算結(jié)果。

這里將利用美國(guó)PTC開發(fā)的有限元軟件,Pro/MECHANICA對(duì)機(jī)床支承件中的拖板進(jìn)行有限元分析,計(jì)算出該零件的固有頻率和振型,為分析拖板的表面振動(dòng)響應(yīng)作必要的準(zhǔn)備,也為機(jī)床拖板、床身、立柱等支承件的設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

二、當(dāng)前常用的有限元分析軟件及其特點(diǎn)

目前對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行有限元分析一般采用通用有限元分析軟件,如ANSYS、MARC等。它們擁有豐富完善的單元庫(kù)、材料模型庫(kù)和求解器,并且具有相對(duì)獨(dú)立的前、后處理模塊,可以獨(dú)立完成多學(xué)科、多領(lǐng)域的工程分析問題。其缺點(diǎn)是前處理模塊中的幾何建模功能不強(qiáng),無(wú)法完成復(fù)雜模型的建模,因此降低了結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的可信度。一些流行的三維設(shè)計(jì)軟件卻具有極強(qiáng)的幾何模型的建模功能,如proeNGINEER、UG和CATIA等。這些三維設(shè)計(jì)軟件可以完成一些復(fù)雜的幾何模型的建模工作。為了克服通用有限元分析軟件建模功能較弱的缺點(diǎn),當(dāng)前普遍采用軟件間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,即采用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行精確的三維建模,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口將模型以IGES、DXF或STEP格式讀入到通用有限元分析軟件中,然后通過(guò)該軟件進(jìn)行精確的計(jì)算。

在模型轉(zhuǎn)換過(guò)程中常常會(huì)出現(xiàn)一些問題,特別是將一些復(fù)雜模型轉(zhuǎn)換到有限元軟件后也會(huì)出現(xiàn)一些面和線的丟失、無(wú)法對(duì)模型中的一些特征進(jìn)行網(wǎng)格劃分等問題。所以在模型轉(zhuǎn)換后,要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力在有限元軟件中進(jìn)行幾何模型修補(bǔ)工作,這必然導(dǎo)致模型的不一致且增加了工作量。雖然一些有限元軟件開發(fā)出了完善的數(shù)據(jù)接口,可以精確地將CAD平臺(tái)上生成的絕大部分幾何模型導(dǎo)入到有限元軟件中,但是兩種軟件的同時(shí)使用對(duì)設(shè)計(jì)平臺(tái)的軟硬件提出了更高的要求,會(huì)大大增加一些中小企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

通過(guò)對(duì)各種有限元軟件的對(duì)比分析我們發(fā)現(xiàn),Pro/MECHANICA可以實(shí)現(xiàn)與proeNGINEER的完全無(wú)縫集成,該軟件可以直接利用proeNGINEER生成的幾何模型進(jìn)行有限元分析。由于proeNGINEER具有強(qiáng)大的參數(shù)化功能,那么在Pro/MECHANICA中就可以利用該優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行模型的靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體地說(shuō),當(dāng)模型的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí),求解出滿足一定設(shè)計(jì)指標(biāo)(如質(zhì)量最小、應(yīng)力最小等)的最佳幾何模型。

三、機(jī)床拖板有限元模型的建立和計(jì)算

1.建立幾何模型

這里分析的是一臺(tái)數(shù)控高速銑齒機(jī)床的X方向的拖板。該機(jī)床用于對(duì)大模數(shù)、大直徑齒輪的粗加工。由于該拖板結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,所以選用proeNGINEER軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模。
利用proeNGINEER軟件建立的機(jī)床拖板幾何模型,如圖1所示。

一、引言

二、當(dāng)前常用的有限元分析軟件及其特點(diǎn)

三、機(jī)床拖板有限元模型的建立和計(jì)算

1.建立幾何模型

圖2 在拖板上施加的約束

4.劃分網(wǎng)格

在MEC SRTUCT菜單中選擇MESH菜單選項(xiàng)進(jìn)行網(wǎng)格的定義和劃分,并對(duì)劃分網(wǎng)格的質(zhì)量進(jìn)行檢查,不符要求的網(wǎng)格將在有限元網(wǎng)格模型中以紅色顯示出來(lái)。拖板的有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 拖板有限元網(wǎng)格模型

5.建立分析任務(wù),進(jìn)行有限元計(jì)算

在MEC STRUCT菜單中選擇Analyses/Studies,在系統(tǒng)彈出的Analyses and Design Studies對(duì)話框中選擇File→New Modal...,彈出模態(tài)分析任務(wù)定義對(duì)話框,在此對(duì)話框中設(shè)定分析任務(wù)后進(jìn)行分析計(jì)算。

四、機(jī)床拖板有限元模態(tài)分析結(jié)果

對(duì)機(jī)床拖板有限元模型的求解,一般不需要求出振動(dòng)系統(tǒng)的全部固有頻率和振型,由于低階模態(tài)對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的影響較大,因此本文僅計(jì)算了前三階模態(tài)。同時(shí),為了驗(yàn)證有限元軟件Pro/MECHANICA用于機(jī)床零件模態(tài)計(jì)算的的正確性,本文另外采用了當(dāng)前流行的通用有限元分析軟件ANSYS對(duì)機(jī)床拖板進(jìn)行有限元模態(tài)計(jì)算,計(jì)算出前三階固有頻率和振型,并與Pro/MECHANICA的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。固有頻率的對(duì)比如表1所示,前三階振型圖對(duì)比如圖4所示。

a)proeNGINEER一階振型圖

b)ANSYS一階振型圖

c)proeNGINEER二階振型圖

d)ANSYS二階振型圖

e)proeNGINEER三階振型圖

f)ANSYS三階振型圖

圖4 拖板各階振型圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,該拖板在1200Hz以內(nèi)共有三階模態(tài)。第一階模態(tài)的振型為拖板兩側(cè)圍繞Y軸擺振,第二階模態(tài)的振型為拖板繞Z軸的不規(guī)則扭振,第三階模態(tài)的振型為拖板繞Y軸波浪形擺動(dòng)和拖板邊角的部分扭振。通過(guò)有限元模態(tài)計(jì)算得出機(jī)床拖板的危險(xiǎn)工作頻率在500~600Hz。

從計(jì)算結(jié)果可以看出,固有頻率都在500Hz以上,該機(jī)床拖板整體固有頻率較高,遠(yuǎn)離正常工作頻率,可知拖板的剛性比較好。拖板的絲杠座作為機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)裝置絲杠的支承,必須具有較高的結(jié)構(gòu)剛度。通過(guò)上面的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),絲杠座振動(dòng)的相對(duì)位移量較小,振動(dòng)很小,具有較高的局部剛度,從而增強(qiáng)了數(shù)控機(jī)床整個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度,保證了傳動(dòng)系統(tǒng)的精度。另外,由振型圖可看出,雖然拖板兩側(cè)的振動(dòng)量最大,但由于其振動(dòng)是沿Y軸的對(duì)稱振動(dòng),這樣可以保證拖板上的工作臺(tái)只有微小垂向位移而不會(huì)左右擺動(dòng)。該銑齒機(jī)床用于加工直齒輪,加工過(guò)程中拖板振動(dòng)引起工作臺(tái)的微小垂向不會(huì)影響齒輪的加工精度,滿足了機(jī)床拖板的設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn),兩種有限元軟件計(jì)算出的第三階固有頻率值相差最大,但是兩個(gè)頻率值只相差1.78%,計(jì)算結(jié)果非常接近。當(dāng)前ANSYS軟件普遍用于各種結(jié)構(gòu)的模態(tài)計(jì)算,其計(jì)算結(jié)果具有較強(qiáng)的可信度,因此,Pro/MECHANICA軟件計(jì)算出的結(jié)果也具有較高的精度。

五、結(jié)論

(1)本文通過(guò)對(duì)機(jī)床拖板的有限元?jiǎng)恿W(xué)模型的模態(tài)分析,算出了該機(jī)床零件的前三階固有頻率和振型。通過(guò)振型和動(dòng)畫顯示可以很直觀地分析機(jī)床拖板的動(dòng)態(tài)性能,并且找到零件的薄弱環(huán)節(jié),為機(jī)床支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

(2)本文在分析了通用有限元的一些缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出了采用Pro/MECHANICA有限元分析軟件對(duì)拖板進(jìn)行模態(tài)分析的想法,并通過(guò)它實(shí)現(xiàn)了實(shí)體建模和有限元分析計(jì)算的無(wú)縫集成,提高了有限元分析工作的效率。通過(guò)與ANSYS軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,我們發(fā)現(xiàn)Pro/MECHANICA有限元模態(tài)計(jì)算結(jié)果也具有足夠的計(jì)算精度。這為其他的機(jī)床支承件的設(shè)計(jì)提供了新的方法。

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