（机械设计及理论专业论文）数控立式车床立柱的有限元分析及优化设计.pdf

数控立式车床立柱的有限元分析及优化设计 摘要 随着机械工程技术的发展，装备制造、交通运输、石油化工、航空航天及国 防军工等对数控机床的需要越来越大，要求也显著提高。为了保证机床具有良好 的静动刚度、动态特性、精度保持性及加工工艺性，降低成本获得较高的经济效 益，需要在机床的设计过程中，对机床的结构进行动力学仿真，以便能准确的发 现薄弱环节，实现机床结构的动态设计和优化。 立柱作为弹性系统的元素之一，它直接影响零件表面成形运动轨迹的准确性， 因此它的静动态性能将直接影响零件的加工精度、表面质量和车床的生产率。本 文以c k 5 1 1 6 型数控立式车床的立柱为研究对象，研究其结构的静动态特性和提 高其抗振性和稳定性的主要方法。 在对c k 5 1 1 6 型数控立式车床的立柱结构进行实体建模的基础上，对其进行 了有限元分析，通过静力分析得到了立柱结构的位移云图和应力云图，通过模态 分析得到立柱结构的前1 0 阶固有频率和振型，通过谐响应分析获得了立柱结构在 简谐切削力的作用下的位移频率曲线，以此来研究其静动态特性，找出立柱结构 的薄弱环节，确定需要改进的地方。 针对有限元分析得出的结论，在a n s y s 工程分析软件中对c k 5 1 1 6 型数控 立式车床的立柱结构进行了参数化建模，然后在保证其精度要求和动态特性条件 下，本着提高经济效益、节约成本的目的，对其进行针对性的结构优化，并对优 化方案进行了比较验证。 关键词：立式车床；立柱；有限元分析；优化设计；a n s y s 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm e c h a n i c a l e n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y ，e q u i p m e n t m a n u f a c t u r i n g ，t r a n s p o r t a t i o n ，p e t r o c h e m i c a l ，a e r o s p a c ea n d n a t i o n a ld e f e n s ea n dw a r o nt h ei n c r e a s i n gn e e df o rc n cm a c h i n et o o l s ，r e q u i r e m e n t sa r ea l s os i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e d t oe n s u r et h em a c h i n eh a sag o o dd y n a m i ca n ds t a t i cs t i f f n e s s ，d y n a m i c p e r f o r m a n c e ，p r e c i s i o na n dp r o c e s s i n go fr e t e n t i o n ，l o w e rc o s t ，h i g h e r e c o n o m i c b e n e f i t sn e e dt om a c h i n ed e s i g np r o c e s s ，t h es t r u c t u r eo ft h em a c h i n ed y n a m i c s s i m u l a t i o ni no r d e rt oa c c u r a t e l yi d e n t i f ya r e a so fw e a k n e s s ，t h ed y n a m i cd e s i g no f t h em a c h i n et o o ls t r u c t u r ea n do p t i m i z a t i o n c o l u m na st h ee l a s t i ce l e m e n to ft h es y s t e m ，w h i c hd i r e c t l ya f f e c tt h ep a r t s u r f a c ef o r m i n gt r a j e c t o r ya c c u r a c y s oi t ss t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ew i l l d i r e c t l ya f f e c tt h em a c h i n i n ga c c u r a c y ，s u r f a c eq u a l i t ya n dp r o d u c t i v i t yo fl a t h e s t h i s a r t i c l ec k 51 16c n cv e r t i c a ll a t h ec o l u m nf o rt h es t u d y , t os t u d yt h es t r u c t u r eo f s t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n di m p r o v ei t sa n t i v i b r a t i o na n ds t a b i l i t yo ft h e m a i nm e t h o d o nc k 51 16c n cv e r t i c a ll a t h ec o l u m nv e r t i c a ls t r u c t u r eb a s e do i l s o l i d m o d e l i n ga n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw a s c a r r i e do u tb ys t a t i ca n a l y s i sh a sb e e nt h e d i s p l a c e m e n tc o l u m ns t r u c t u r ea n ds t r e s sc l o u dc l o u d ，o b t a i n e db ym o d a la n a l y s i s c o l u m ns t r u c t u r et h ef i r s t1 0n a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e s ，t h r o u g ht h e h a r m o n i ca n a l y s i sw a st h ec o l u m ns t r u c t u r et oh a r m o n i cd i s p l a c e m e n tu n d e rt h ee f f e c t o f c u t t i n g f o r c e f r e q u e n c yc u r v e ，i no r d e r t o s t u d yi t s s t a t i ca n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s ，i d e n t i f yt h ew e a kl i n k sc o l u m ns t r u c t u r e ，d e t e r m i n e t h en e e df o r i m p r o v e m e n t f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rt h ec o n c l u s i o n ，i nt h ea n s y se n g i n e e r i n ga n a l y s i s s o f t w a r eo nc k 5116c n cv e r t i c a ll a t h ec o l u m nv e r t i c a ls t r u c t u r eo ft h ep a r a m e t r i c m o d e l i n g ，a n dt h e ne n s u r ei t sa c c u r a c ya n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fc o n d i t i o n s ，i n l i n ew i t hi m p r o v i n ge c o n o m i ce f f i c i e n c y , t h ep u r p o s eo fc o s ts a v i n g s ，t h e i rc o n d u c t t a r g e t e do p t i m i z a t i o n ，a n do p t i m i z a t i o ns c h e m e s a r ec o m p a r e dv e r i f y k e y w o r d s ：v e r t i c a ll a t h e ：v e r t i c a lp r o p ：f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ：o p t i m i z e d e s i g n ；a n s y s 数控市式车床立柱的有限元分析及优化设计 插图索引 图2 1p r o e 零件建立方式流程图1 2 图2 2c k 5 1 1 6 型数控车床外观图1 3 图2 3c k 5 1 1 6 型数控车床整体结构示意图1 3 图2 4 立柱的实体模型1 6 图2 5 立柱的侧向剖视实体模型1 6 图2 6 立柱的j 下向剖视实体模型1 7 图3 1a n s y s 中的立柱结构模型2 2 图3 2s o l i d l 8 5 应力输出图2 3 图3 3 立柱结构的有限元模型2 4 图3 4 铣削力的合力与分力2 5 图3 5 立柱结构受力情况示意图j 2 6 图3 6 立柱结构载荷分布图2 6 图3 7 总体位移云图2 7 图3 8x 方向位移云图2 7 图3 9y 方向位移云图2 7 图3 1 0z 方向位移云图2 7 图3 1 1 立柱结构应力分布云图( 前上方) 2 8 图3 1 2 立柱结构应力分布云图( 后上方) 2 9 图4 1 第一阶模态相对位移云图3 5 图4 2 第二阶模态相对位移云图3 5 图4 3 第三阶模态相对位移云图3 5 图4 4 第四阶模态相对位移云图3 5 图4 5 第五阶模态相对位移云图3 6 图4 6 第六阶模态相对位移云图3 6 图4 7 第七阶模态相对位移云图3 6 图4 8 第八阶模态相对位移云图3 6 图4 9 第九阶模态相对位移云图3 6 图4 1 0 第十阶模态相对位移云图3 6 图5 1 体载荷信息示意图4 2 图5 2 立柱节点6 4x 、y 、z 方向位移响应曲线( 0 4 0 0 h z ) 4 3 图5 3 立柱节点6 4x 、y 、z 方向位移响应曲线( 4 0 0 - - - 5 6 0 h z ) 4 3 图6 1 优化设计数据流向图4 9 m 硕十学位论文 图6 2 立柱结构的参数化建模5 0 图6 3 体积的收敛曲线图5 3 图6 4 最大应力的收敛曲线图5 3 图6 5 侧壁d 1 值的变化曲线图一5 4 图6 6 后壁d 2 值的变化曲线图。5 4 i v 数控立式车床立样的有限元分析及优化设计 附表索引 表2 1c k 5 1 1 6 数控立式车床的主要技术参数1 5 表3 1 立柱节点位移计算结果2 7 表4 1 立柱结构前十阶固有频率、振幅及振型描述3 5 表6 1 立柱最优设计序列( m ) 一5 2 表6 2 最终方案与原始结构静力计算比较5 5 表6 3 最终方案与原始结构固有频率比较。5 5 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者虢少锄掘 日期洌啤少月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期沙咖年岁月丛日 日期：d 嘶：年厂月d g 日 数控立式车床立梓的有限元分析及优化设计 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究的意义 当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、 高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、 亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随着微电子、 计算机技术的进步，数控机床在2 0 世纪8 0 年代以后加速发展，各方用户提出更 多需求，四大国际机床展早已成为各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、 扩大市场的焦点。中国加入w t o 后，正式参与世界市场激烈竞争，今后如何加 强机床工业实力、加速数控机床产业发展，实是紧迫而又艰巨的任务【1 j 。 随着世界科技进步和机床工业的发展，数控机床作为机床工业的主流产品， 已成为实现装备制造业现代化的关键设备，是国防军工装备发展的战略物资。数 控机床的拥有量及其性能水平的高低，是衡量一个国家综合实力的重要标志。加 快发展数控机床产业也是我国装备制造业发展的现实要求。根据中国机床工具工 业协会组织用户调查表明，航天航空、国防军工制造业需要大型、高速、精密、 多轴、高效数控机床；汽车、摩托车、家电制造业需求高效、高可靠性、高自动 化的数控机床和成套柔性生产线；电站设备、造船、冶金石化设备、轨道交通设 备制造业需求高精度、重型为特征的数控机床；i t 业、生物工程等高技术产业需 求纳米级亚微米级超精密加工数控机床；工程机械、农业机械等传统制造行业的 产业升级，特别是民营企业的蓬勃发展，需要大量数控机床进行装备。 国民经济可以被看成是一部巨型的从资源到产品及服务的转化器，生产这个 转化器的就是机械制造业，机械制造业为国家重点建设提供成套技术设备，是关 系国计民生、涉及国家经济安全的产业。各个工业化国家经济发展的历史表明， 没有强大的机械制造业，就不可能实现国民经济的工业化、现代化和信息化。在 现代机械工业中，加工机械零件的方法有多种，例如，铸造、焊接、切削加工和 各种特殊加工等。切削加工是将金属毛坯加工成具有一定形状、尺寸和表面质量 的零件的主要加工方法，用于切削加工的主要设备就是车床。因此，车床的技术 水平直接影响着机械制造工业的产品质量和生产率。车床是各种类型机械制造厂 加工回转体零件的主要设备，它遍及各个生产领域，是众多“工作母机中应用 最广泛的一种，因此，车床的属性决定了它在国民经济中的重要地位【5 】。 当今数控机床的发展，除了要求机床重量轻、成本低、使用方便和具有良好 工艺可能性外，还着重要求机床具有愈来愈高的加工性能。所谓机床的加工性能 硕十学位论文 主要是指机床的加工精度、加工质量和切削效率等方面的指标。为了提高机床的 加工性能，在设计上除了合理配置机床部件和控制系统以外，还应尽可能提高机 床的静刚度和动态性能。机床的动态性能包括机床在运转状态下的振动、噪声及 热变形情况对于普通数控机床而言，其切削过程中的抗振性和稳定性是最受用户 关注的。然而，随着现代数控机床日益向着高速化、高性能、高精度方向发展， 传统的设计方法己无法满足数控机床发展的要求【6 j 。 立式车床属于大型机械设备，用于加工径向尺寸大而轴向尺寸相对较小，形 状复杂的大型和重型工件。如各种盘，轮和套类工件的圆柱面，端面，圆锥面， 圆柱孔，圆锥孔等。亦可借助附加装置进行车螺纹，车球面，仿形，铣削和磨削 等加工。与卧式车床相比，立式车床主轴轴线为垂直布局，工作台台面处于水平 平面内，因此工件的夹装与找正比较方便。这种布局减轻了主轴及轴承的荷载， 因此立式车床能够较长期的保持工作精度。大量加工实践证明，将卧式车床立起 来使用( 变成了立式车床) 反倒显示出了更多的优越性，如占地面积小、排屑更加 方便、承载能力增加等。同时立式车床还具有很好的主轴旋转精度和较强的切削 能力，更加有利于实现生产的自动化，所以对立式车床的使用和需求也越来越多。 立柱是数控立式车床重要结构部件之一，其结构特性对立式车床的性能影响 很大，主要体现在加工精度、抗振性、切削效率、使用寿命等方面。因此，立柱结 构的静、动态性能是决定整机性能的重要因素之一。由于立柱结构形状较复杂， 采用一般方法对其进行静、动态特性计算比较困难。如何对立柱等部件进行精确、 合理、科学可行的计算，是机床结构设计过程中需要迫切解决的重要课题。针对这 些因素，有必要对数控立式车床的立柱部分进行结构优化，本课题对数控立式车 床的立柱部分进行有限元优化设计有重要的实际意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外的机床结构优化领域的研究比较多，在结构优化、有限元分析、参数化 设计方面都有不少研究，美国机械工程师学会“o p t i m a ls y n t h e s i so f c o m p l i a n t m e c h a n i s m su s i n gs u b d i v i s i o na n dc o m m e r c i a lf e a ”一文中，利用有限元软件分析 机械结构，提出全程参数化设计，并对其进行拓扑优化，全面分析了设计变量在 优化程序中的变数。 国外机床结构优化设计存在以下特点： ( 1 ) 设计与分析平行。从以满足一定性能要求为目标的结构选型、结构设计， 到具体设计方案的比较及确定、设计方案的模拟试验等。床身结构设计的各个阶 段均有结构分析的参与。床身结构分析贯穿了整个设计过程，这样确定的床身结 2 数摔立式车床立柱的有限元分析及优化设计 构设计方案，基本就是定型方案。 ( 2 ) 结构优化的思想被用于设计的各个阶段。 ( 3 ) 大量的虚拟试验代替实物试验。 虚拟试验不仅可以在没有实物的条件下进行，而且实施迅速、信息量大。利 用虚拟试验，一方面可以在多个设计方案中选择最优，减少设计的盲目性，另一 方面可以及早发现在设计中的问题。从而减少设计成本，缩短设计周期。 随着工业的发展，对车床的要求越来越高。在车床的设计中，需要对其组成 部件进行严密的分析与计算。车床床身等支承件的重量要占车床总重量的2 0 到 3 0 ，因此对支承件的单位重量刚度提出较高的要求。在重量轻的条件下，需保证 支承件具有足够的静刚度，所以对支承件材料的分布、支承件壁厚和开孔位置的 合理性提出了要求，有必要进行分析计算。 2 0 世纪6 0 年代后期，随着计算机技术的发展，有限元方法开始逐步应用于工 程实践。有限元方法作为一种数值计算方法，它具有很多突出的优点，并在此基 础上出现了大量的c a e 软件( 如美国a n s y s 公司研制的大型通用有限元分析软 件；m s c 的m s c n a s t r a n 和m s c p a t r a n 等) ，从而实现了计算机技术和有限元理论 的结合，大大提高了机床结构设计的效率和质量。当前，采用有限元方法，建立 机床结构的静、动力学模型己经成为机床理论建模普遍采用的方法h 1 。 1 2 2 国内研究现状 目前国内在机床结构优化领域的研究比较活跃，机床结构优化设计的内容十 分丰富，涉及内容很多，包括静力学，结构非线性分析，拓扑优化，模态分析， 动力学分析等。目前有限元方法在机床结构设计中的应用主要有以下几个方面： ( 1 ) 静力学分析。这是对二维或者三维机床零件承载后的应力和应变的分析， 是有限元在机床设计中最基本、最常用的分析类型。 ( 2 ) 模态分析。这是动力学分析的一种，用于研究结构的固有频率和各振型等 振动特性，进行这种分析时所施加的载荷只能是位移载荷和预应力载荷。 ( 3 ) 谐响应分析和瞬态动力学分析。这两类分析也属于动力学分析，用于研究 机床对周期载荷和非周期载荷的动态响应。 ( 4 ) 热应力分析。用于研究结构内部温度的分布，以及机床内部的热应力。 ( 5 ) 接触分析。用于分析两个结构件接触时的接触面状态和法向力。 国内的机床结构优化设计主要是应用在刚度和强度分析方面。广西大学陈文 锋、毛汉领“m x b s 1 3 2 0 型高速外圆磨床动态性能的试验研究一文中，对 m x b s 1 3 2 0 型高速外圆磨床的动态性能使用脉冲激振法进行了试验研究，得到磨 床前几阶模态的频率和振型图，寻找出机床振动的薄弱环节和主要振源，并提出 一些机床改造的措施。 3 硕十学位论文 此外还有对主要零部件进行有限元分析，优化零部件结构的设计。东南大学 和无锡机床股份有限公司对内圆磨床m 2 1 2 0 a 床身结构进行有限元分析，得到床 身前几阶的固有频率和振型，分析床身的内部筋板布置对结构动态特性的影响。 张海伟，利用动态实验分析和理论模型分析两种方法对卧式加工中心的动态性能 进行了分析，通过实验测试数据与理论计算结果对比分析，验证了理论模型的合 理性，找出了机床的薄弱环节，并进行了结构优化。优化后分析结果证明机床结 构的最大变形值都相应降低。陈庆堂，运用工程软件a n s y s 的优化设计模块，根 据主轴箱的实际工况及机床零件加工精度要求，在参数化建模及结构应力分析基 础上，对x k 7 1 3 数控铣床轴箱结构以减轻重量为目标进行优化设计。通过优化设 计及分析，主轴箱结构重量减轻了2 3 2 ，三个方向上刚度和应力得到了合理的分 布。 东南大学机械工程系，利用有限元法对机床床身进行静、动态分析，并使用 渐进结构优化算法对床身结构进行基于基频约束和刚度约束的拓扑优化，为e s o 方法在机床大件结构拓扑优化中的应用做了有益的尝试。王艳辉、伍建国等人， 在“精密机床床身结构参数的优化设计一文中，在确定精密机床床身合理结构 的基础上，利用a n s y s 有限元软件提供的a p d l 参数化设计语言和优化设计方法， 以床身的肋板布置和肋板厚度为设计参数，对床身进行结构设计参数的优化，确 定了床身结构的合理参数。不仅大大提高了床身的动态性能：而且节省了材料，降 低了生产成本【训。 1 3 机床设计的发展现状 1 3 1 机床设计发展的几个阶段 机床设计和其它机器设计一样，也经历了由静态分析向动态分析，由定性分 析向定量分析，由线性分析向非线性分析，由安全设计向优化设计，由手工计算 向自动化计算的发展过程。 ( 1 ) 经验设计阶段：二十世纪4 0 年代以前，因受当时理论水平和试验手段的限 制，主要是用一些具有不同条件系数的经验公式进行计算，并辅以“类比法来 确定零部件结构和尺寸。这种设计方法盲目性比较大，往往导致机床尺寸增加， 重量偏大，特别是为了保证某些动态性能，更会引起不应有的加大结构尺寸现象。 ( 2 ) 理论分析计算与试验研究相结合的设计阶段：二十世纪4 0 年代至6 0 年代初 期，它首先根据理论计算和局部试验确定结构尺寸，制造样机。再对样机进行整 机和局部薄弱环节的各种试验，最后补充修改定型。 ( 3 ) 计算机辅助设计阶段：二十世纪6 0 年代中后期以来随着计算机的广泛应 用和先进测试技术的发展，使得在机床设计中可以主要利用分析计算法来计算机 4 数控屯式车床市梓的有限元分析及优化设计 曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼笪曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼蔓! 曼曼! ! 苎曼曼曼曼曼曼量曼曼皇曼皇量曼皇曼皇曼皇! 曼! 鼍ii 一, 曼曼皇曼皇舅曼曼曼量曼 床的静态和动态应力、变形等。机床设计思想的主要内容是，把实际问题简化为 模型，根据提供的数据和选定的目标函数，用计算机进行分析、计算并选定最佳 方案f 7 】【8 1 。 1 3 2 现代机床设计思想 本世纪初以来随着科学技术的飞速发展，对机床产品的质量要求越来越高， 新材科、新技术的应用也同时有了很大发展，国内外出现了许多新型设计理论和 方法，这些都使得现代机床设计思想进入了一个以试验研究及理论计算为基础的 较高级阶段。研究设计程序、规律及设计思维和工作方法，不仅寻求产品本身的 最佳化，还要实现从产品设计到制造、试验、检验的全过程以至整个系统的最佳 化。现代机床设计思想是与现代科技发展相适应的一种先进的设计思想。其主要 内容包括： ( 1 ) 设计对象系统化。把设计对象即机床产品视为一个系统不仅关注其组成单 元要素，还要考虑边界、环境和输入输出等特征，避免传统设计的那种局部、孤 立地处理问题，而是整体、系统地对待设计对象。这还有助于引入系统论、信息 论和控制论等现代科学理论，用系统观点进行全方位设计。 ( 2 ) 设计内容完善化。现代机床设计思想已超出常规的运动设计、动力设计和 结构设计范畴，扩展到概念设计，可靠性设计和宜人性设计等更加完善的内容。 使机床产品实用、经济、美观及舒适，具有更强的竞争力。 ( 3 ) 设计目标最优化。现代机床设计思想追求的是目标最优化，不仅是对某项 设计参数的单一目标优化，而且要对系统的诸多参数进行多目标的整体优化，利 用计算机求得理论上的精确解即最佳方案，使产品设计在各项技术性能、可靠性 及经济性等方面实现最优效果。 ( 4 ) 设计问题模型化。简化模型是对设计问题的高度概括和抽象，数学模型是 最适于分析和研究的一种形式。通过数学模型就可把工程问题与数学理论紧密结 合起来，借助计算机对设计问题进行定量运算和优化处理，并可应用动态设计和 动态仿真等现代设计技术。 ( 5 ) 设计过程动态化。现代机床设计思想更加注重产品的动态性能，在设计阶 段就要对产品动态性能进行预测和优化。动态设计首先要建立系统的动力学数学 模型，并通过验算或实际测试加以验证。然后用计算机对模型进行动态分析，修 改某项参数，比较相应结果。直至达到满意的动态性能，最后获得最优动态设计 方案。 ( 6 ) 设计手段计算机化。计算机辅助设计( c a d ) 已成为现代设计方法中必不 可少的设计手段和强大支柱。在初步设计阶段，可进行方案的分析、选择、评价 和决策。在技术设计阶段，可进行结构和参数确定，运动、动力或其他特性分析， 5 硕七学位论文 材料选择，成本计算，参数优化和绘图等工作。在工作图设计阶段，可绘制零件 图、标注尺寸及公差配合，编制、存贮和管理各种技术文件1 8 l 。 1 3 3 机床设计思想的新发展 目前，世界先进制造技术不断兴起，超高速切削，超精密加工技术等技术的 广泛应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对机床加工 技术提出了更高的要求。当今机床研究正朝着高速度高精度化、多功能化、智能 化、数控编程自动化等方向发展。其中，c a e ( 计算机辅助工程分析) 融入机床设 计整个过程，尤其是设计阶段，是提升机床性能，加快机床研发过程的有效手段 【9 】 o 1 4 建模软件介绍 1 4 1a n s y s 软件概述 a n s y s 是一种广泛的商业套装工程分析软件。所谓工程分析软件，主要是在 机械结构系统受到外力负载所出现的反应，例如应力、位移、温度等，根据该反 应可知道机械结构系统受到外力负载后的状态，进而判断是否符合设计要求。一 般机械结构系统的几何结构相当复杂，受的负载也相当多，理论分析往往无法进 行。想要解答，必须先简化结构，采用数值模拟方法分析。由于计算机行业的发 展，相应的软件也应运而生，a n s y s 软件在工程上应用相当广泛，在机械、电机、 土木、电子及航空等领域的使用，都能达到某种程度的可信度，颇获各界好评。 使用该软件，能够降低设计成本，缩短设计时间。 n 8 0 年代初期，国际上较大型的面向工程的有限元通用软件主要有：a n s y s ， n a s t a r n ，a s a k ，a d n i a ，s a p 等。以a n s y s 软件为代表的工程数值模拟软件， 是一个多用途的有限元法分析软件，它从1 9 7 1 年的2 0 版本与今天的1 2 0 版本已有 很大的不同，起初它仅提供结构线性分析和热分析，现在可用来求结构、流体、 电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它包含了前置处理、解题程序以及后置处理， 将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，己成为现代工程学问题必不可 少的有力工具。 a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件， 可广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、 国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。 该软件提供了不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、 计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用a n s y s 参数设计 语言扩展宏命令功能。 a n s y s 分析过程分为三个主要的步骤： 6 数控立式车床立柱的有限元分析及优化设计 ( 1 ) 前处理阶段 该软件具有较强的前处理功能，能够创建实体模型及有限元模型。前处理包 括创建实体模型，定义单元属性、划分网格和模型修正等内容。利用智能网格划 分，可以处理大多数不规则的实体模型。其材料库和单元库非常丰富，可以定义 各种材料。 ( 2 ) 求解阶段 求解模块是程序用来完成对已经生成的有限元模型进行力学分析和有限元求 解的。在此步骤中，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项。 ( 3 ) 后处理阶段 a n s y s 的后处理过程包括两个部分：通用后处理模块p o s t l 和时间历程后处 理模块p o s t 2 6 。通过这些友好的用户界面，可以很容易得到位移、温度、应力、 应变、速度等计算结果，输出形式可以以图形显示和数据列表两种【1 0 】。 1 4 2p r o e n g i n e e r 软件概述 p r o e n g i n e e r 是美国参数技术公司( p t c ) 于1 9 8 8 年首创的参数化设计三维 c a d c a m 软件包，是一套由设计到生产的机械自动化软件。十年来，在全世界 被广泛地应用于机械、电子、汽车、模具、航天、家电、工业设计等行业。 p r o e n g i n e e r 是一个全方位的三维产品设计开发软件，集零件设计、产品 装配、模具开发、n c 加工、饭金设计、铸件设计、逆向工程、机构仿真、应力分 析、产品数据库管理等功能于一身，功能强大，模块众多【1 1 】。 1 5 课题的目的与主要研究内容 1 5 1 研究课题的目的 本课题是以兰州机床厂生产的c k 5 1 1 6 型立式数控车床的立柱为研究对象， 针对我国此系列车床存在的抗振性和稳定性不足，加工精度不高，一些部件的结 构不合理等问题，通过对c k 5 1 1 6 型立式数控车床的立柱进行静态分析，模态分 析及优化分析，来提高车床的动静态特性，即提高该型号立式车床的抗振性和稳 定性，从而提高加工质量和切削效率，增加其使用寿命和适用范围，挖掘更大的 市场潜力。同时，提出的一些改进立柱结构的合理方案，可以为数控立式车床立 柱的设计和优化提供理论依据和参考。 1 5 2 课题研究的主要内容 ( 1 ) 研究c k 5 1 1 6 型数控立式车床的整体构造，特别是对数控立式车床的载荷 工况、受力分析、工作原理分析和分析零部件之间连接形式、结构特点。主要研 究立柱部分与其相接触的各零部件的结构形式，对c k 5 1 1 6 型车床立柱部分进行 7 硕十学位论文 受力分析，建立计算模型，确定横梁、床身与立柱之间的作用力，计算各点力的 大小和方向。 ( 2 ) 运用p r o e 三维软件建立c k 5 1 1 6 型数控立式车床立柱部分的三维实体模 型，即将现有的立柱部分的二维图纸转化为三维实体模型。将其导入到a n s y s 工程分析软件中，进行必要的定义，包括定义单元类型和选项、定义实常数和材 料属性( 弹性模量、泊松比) 等；接着就可以建立几何模型，定义横截面类型和 单元坐标系，对模型进行网格划分，对模型进行检查处理后定义边界条件，最后 得到有限元分析模型，为运用有限元软件对其进行有限元分析做好准备。 ( 3 ) 根据受力分析，对c k 5 1 1 6 车床立柱部分的模型进行加载，在a n s y s 工 程分析软件中进行运行，对其分别进行静态分析和动态分析，对于静态分析以最 大位移最大应力作为约束条件，对于模态分析以各阶固有频率作为约束条件。计 算结构的应力、应变和模态参数，分析计算结果的可靠性，并根据各参数的计算 结果，采用数据统计和图表处理方法，分析结构的薄弱环节，并以此分析结果作 为结构改进或优化设计的依据。 ( 4 ) 根据分析结果进行结构性能评估，将有限元分析方法和结构优化方法相结 合，克服优化设计中数学模型的困难，利用a n s y s 工程分析软件对数控立式车 床立柱部分进行结构参数化优化设计，根据优化分析结果，改进原立柱的结构。 对改进后的立柱结构进行静、动态分析，并通过对比分析得出最佳方案，以达到 提高机床的加工性能的目的。 1 6 本章小结 本章介绍了课题研究的背景和意义、机床设计的发展过现状、机床研究的国 内外现状以及课题用到的建模软件，最后提出了课题研究的目的和主要内容。 8 数控立式车床立梓的有限元分析及优化设计 鼻曼曼皇皇曼曼皇曼皇曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼量曼鼍曼皇曼曼舅舅iii _ i i i i i 皇曼皇曼皇舅曼曼蔓皇曼鼍曼曼鼍量鼍曼鼍曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼皇 第2 章c k 5 1 1 6 数控立式车床立柱的三维c a d 建模 2 1c a d 的概念与特点 计算机辅助设计c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 是从上世纪5 0 年代开始的， 随着计算机及其外围设备的发展而形成的一门技术，是计算机科学与工程科学技 术之间跨学科的边缘科学，是现代设计方法的一个重要方面，也是近年来我国大 力推广的一项新技术。 在传统设计中，设计者根据设计任务的要求，参考已有经验和资料，进行构 思设计方案、建立设计模型、计算、分析、绘图、反复修改等过程，最后设计出 满足要求的方案，并绘出图样和编制设计文件。在设计过程中，有创造性的思维 劳动，有综合性的分析及判断，也有复杂的计算和精密的绘图等，工作量大，而 且要做很多重复性的繁琐劳动，要有设计者来完成所有环节的工作，设计效率低。 c a d 是指设计者以有高速计算能力和显示图形的计算机为工具，用各自的专 业知识对产品进行的规划、分析计算、综合、模拟、评价、绘图和编写技术文件 等设计活动的总称。设计者的创新能力、想象力、经验和计算机高速运算的能力、 图形显示与处理能力相互有机结合，综合运用多学科的相关技术，进行产品描述 及设计，极大的提高设计工作的效率，为无图纸化生产提供了前提【1 5 】。 计算机辅助设计能利用计算机运算速度快、计算机精度高、存储信息量大、 逻辑推理能力强等优点，代替人工进行计算与绘图，并通过人机交互，最大限度 地发挥设计人员的创造力，改变单独由设计者进行全部设计工作的情况，人与计 算机密切配合，各尽所长，发挥人的主导作用，c a d 的特点为： ( 1 ) 大大的减少了设计计算、制图和制表所需的时间，提高了设计工作效率， 缩短设计周期，加快产品的更新换代。 ( 2 ) 可以从诸多设计方案中进行比较，选出最佳方案，提高设计质量，并可以 在设计时预估产品的性能。 ( 3 ) 图样输出格式统一，质量高，修改设计方便。 ( 4 ) 使设计人员从繁琐重复的设计劳动解放出来，以便将精力投入到新技术开 发、现代设计方法的研究之中，进行计算机所不能替代的创造性工作。 ( 5 ) 有利于产品的标准化、系列化、通用化、加速产品的开发和投产过程，使 新产品更快的投入市场，提高市场的竞争能力。 ( 6 ) 有利于计算机辅助制造的发展。通过c a d c a m 集成化，实现产品设计 和制造的一体化。 9 硕十学位论文 2 2 三维几何造型方法 人类的现实世界是一个有众多类型三维几何形体构成的集合体，因此人们在 设计某一物体时，其最初的构思是从三维空间出发的。但在以往设计中设计信息 却是通过二维图纸来表达的，这对于复杂的物体来说，往往难以描述清楚。并且 对后继的机构几何关系和运动关系的分析、应力应变和数控加工等方面无法提供 强有力的支持。为了满足工程实际的需要，上世纪6 0 年代以来人们开始致力于研 究和发展三维几何造型技术。三维几何造型技术的发展主要经历了线框造型、曲 面造型和实体造型等几个阶段。而目前人们研究较多的特征造型以及参数化、变 量化造型则是在实体造型的基础上发展起来的。 线框造型是c a d c a m 技术发展过程中最早应用的三维模型，这种模型是有 一系列空间点、直线和曲面组合而成。用来描述产品的轮廓外形，并在计算机内 部产生相应的三维映像。线框模型在计算机内部是以边表和点表表达和存储的， 由于它仅仅给出物体的框架结构，没有表面信息，故不能显示物体的真实图像。 曲面造型是在线框造型的基础上增加面与边的有关信息，用物体的表面来表 示其基本形状。它给出顶点的几何信息及边与顶点、面与边之问的二层拓扑信息。 面造型表示的几何对象，其表面可以由若干块平面、二次曲面或参数自由曲面组 成，包含各个曲面片的类型、几何参数、插值和拟合的算法以及面间交线的计算 方法。虽然曲面造型比线框造型具有较丰富的形体信息，但未指明物体是实心还 是空心，某部分是内部还是外部，只能用于物体外壳的描述。 三维实体( s o l i d ) 造型是关于物体几何信息和拓扑信息的完整描述。实体造型 也称体素造型，主要研究如何方便地定义形状简单的几何形状( 即体素) ，以及如 何经过适当的布尔几何运算造出所需的复杂形体，并在图形设备上输出其各种视 图的方法。 三维模型代表了c a d 技术发展的主流，与二维模型相比具有显著的优越性。 波音飞机公司在7 7 7 新型客机的设计中，全面应用了三维实体模型技术，到1 9 9 1 年约有半数零件( 6 万多件) 的5 0 细节采用的是三维实体设计，在设计中排除了 5 0 的差错，省去了部分样机制造。美国麦道飞机用u gi i 软件来建立整个飞机的 电子样机，完全省去了实物模拟和试切工序。 国外历史较久的c a d 软件，如c a s a m 、c a t i a 、u g i i 、i n e r g r a p h 等，一 般都有三维线框、曲面、实体三种建模方法，且出现了将三种模型有机结合起来。 统一灵活使用，三维与二维模型相互协调一致的趋势。后起的软件如i d e a s 、 p r o e 等则侧重于实体模型，主要用体素拼合等局部操作来构造复杂的形体1 1 5 l 。 1 0 数控立式车床寺梓的有限元分析及优化设计 2 3p r 0 e 软件三维造型概述 由美国p t c 公司所开发的p r o e n g i n e e r 、c a d c a m c a e 系列是国际上 最先进的特征实体造型软件之一。其优点为可以使设计者采用熟悉的工程术语从 事设计，并因其在特征的建立上是面向工程的，所以在应用上可以促进设计的标 准化。因此，p r o e 造型软件在世界各国得到了越来越广泛的应用。 2 3 1p r o e 软件参数式设计 参数式设计就是零件尺寸的设计用参数来描述，并在设计修改时通过修改参 数的数值来更改零件的外形。参数式设计的思想在工业界中传播了许多年，1 9 9 8 年，p r o e 以参数式设计思想问世以来，业界人士即对参数式设计的c a d c a m 系统翘首以待。p r o e 对于传统机械设计工作来说，有相当大的帮助作用，因为 p r 0 e 中的参数不只代表设计对象的外观相关尺寸并具有实质上的物理意义。 例如我们可以运用系统参数( 如体积、表面积、重心、三维坐标等) ，或用户 自行以设计流程需求所定义的用户定义参数( 如密度、厚度等具有设计意义的物理 量或字符串) 加入构思中，来表达设计思想。这种参数