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)控車床為研究對象,采用proeWildfire 3.0建立床身的實體模型,借助大型有限元軟件ANSYS對其進行靜力分析與模態(tài)分析。靜力分析結(jié)果表明該機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計過于保守,3個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CK6136型數(shù)控車床的床身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,確定合理的床身結(jié)構(gòu),為CNC數(shù)控車床設(shè)計與制造提供理論依據(jù)。

作者: 魏國峰*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,開展對數(shù)控車床床身的動靜態(tài)特性研究對提高數(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象,采用大型有限元分析軟件ANSYSl0.0對其進行靜力分析和模態(tài)分析,并根據(jù)結(jié)果對原有結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,從而提高數(shù)控車床的動靜態(tài)特性,增強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實際工程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)行為特征。因此,在對具體問題進行有限元分析時,首先需要建立針對該問題的有限元模型。建立有限元模型是進行有限元分析的基礎(chǔ),而選擇合理的建模方法是建立準確的有限元模型的關(guān)鍵。針對ANSYS軟件實體建模功能相對薄弱的缺點,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對其實體模型進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化。圖1所示為由proe導(dǎo)入到ANSYS中的數(shù)控車床床身實體模型。

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

本文選用ANSYS10.0提供的SOLID92模塊進行網(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)實際工況分析,對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算應(yīng)力值較大,它不會影響整個結(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)力值遠低于材料的強度極限,其應(yīng)力集中不會影響床身的剛度。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。綜合評價:床身的設(shè)計趨于保守,能在危險工況下安全工作,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)濟的使用材料。

圖4 床身節(jié)點等效應(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個方向的變形Traslation USUM值分布不均勻。由于在建模時對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個方向的位移有一定的差距,說明在3個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)計中的結(jié)構(gòu)或機器常見的振動特性——固有頻率和振型(模態(tài)形狀)。通過計算CK6136型數(shù)控車床床身的固有頻率和振型,來分析床身的動態(tài)特性及結(jié)構(gòu)動剛度的薄弱環(huán)節(jié),其分析結(jié)果可作為對床身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)改進的理論依據(jù)。利用ANSYS10.0軟件提供的Subspace法對床身的結(jié)構(gòu)進行模態(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,有必要對上面四周結(jié)構(gòu)進行改進以提高其局部剛度。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)振動不會引起床身的共振。

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)計太保守造成床身重量過大等缺點?，F(xiàn)進行如下優(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CK6136型數(shù)控車床床身進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)計的不合理之處,并根據(jù)有限元分析結(jié)果,對床身進行結(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)分析方法可以為機床設(shè)計與制造提供有力的理論依據(jù),使設(shè)計者在設(shè)計階段最大可能性地評估與預(yù)測機床的動靜態(tài)特性,從而優(yōu)選設(shè)計方案。

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