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(lái)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(guò)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(lái)源: 萬(wàn)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(lái)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(kāi)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(wèn)題進(jìn)行有限元分析時(shí),首先需要建立針對(duì)該問(wèn)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(guò)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(shuō)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(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)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(shuō)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(shuō)明在3個(gè)方向剛度分布有些不均勻,可以通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)來(lái)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(jiàn)的振動(dòng)特性——固有頻率和振型(模態(tài)形狀)。通過(guò)計(jì)算CK6136型數(shù)控車床床身的固有頻率和振型,來(lái)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(kāi)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(shuō)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(guò)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(wèn)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(guò)減少床身與床頭箱接觸的凹槽的深度和增加接觸處的過(guò)渡圓角來(lái)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(lái)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(yǔ)
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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