高精度-超重型桥式镗铣床基础受荷变形分析

1、高精度超重型桥式镗铣床基础受荷变形分析 摘要：本文以西安市某航空设备制造公司高精度、超重型桥式镗铣床设备基础为研究对象，欧拉梁弹性理论计算与ansys有限元数值模拟相结合，针对不同基础高度、不同混凝土强度等级，分析基础在上部固定荷载以及移动荷载作用下的变形情况。通过分析得出此类基础在上部荷载作用下对设备基础产生不利变形的决定因素。 关键词：设备基础；有限元分析；变形能力；最大位移 abstract: in this paper, an airline equipment manufacturing company to xi'an high precision, super heavy

2、 bridge type boring and milling machine equipment foundation as the research object, simulation calculation and ansys finite element numerical euler beam on elastic theory, basis for the different height, different strength grade of concrete, analysis of deformation of foundation in the upper fixed

3、loads and moving loads. this paper through analyzes the basis of decision factors unfavorable deformation for the foundation of equipment in the upper loads. key words: equipment foundation; finite element analysis; deformation capacity; maximum displacement 中图分类号：tg536文献标识码：a文章编号： 0 引言 随着中国工业技术的不断进

4、步，国内企业为进一步提高产品竞争力，对大型精密加工设备的需求大大增加。桥式镗铣床作为其中重要的组成成员越来越多的应用于工业生产之中。镗铣床作为高精度加工仪器，对于基础的变形要求极高（工作平台变形角不得超过0.005mm/m）。因此镗铣床基础的变形对于设备的正常使用起到极为重要的作用。目前国内外针对大体积混凝土结构的研究主要集中在裂缝控制和施工工艺等方面，很少针对设备基础的具体受力特点进行专门的研究。在地基基础计算模型上比较成熟的有弹性地基梁板假定，弹性板空间假定等。这里基础完全处于弹性阶段，因此理论计算与数值模拟均在完全弹性条件下进行。 1 工程概况 桥式镗铣床是集机、电、液、等先进技术于一体

5、的机械加工设备。桥式镗铣床总体结构由一个龙门架组成，龙门架由双立柱、活动横梁、连接梁、横向溜班及铣头滑枕组成刚性框架，横梁沿立柱导轨上下运动（w轴），横梁上配置一台立式大功率多功能滑枕式镗铣头，镗铣头溜班沿横梁导轨左右移动（y轴）及其上下运动（z轴），龙门框架沿床身纵向移动（x轴）。 此工程桥式镗铣床是北京第一机床厂生产的超高精度超重型的加工设备。此设备基础体积大（长19.88m宽10.33m厚度约6m），重量大，还承受很大的移动荷载。另外镗铣床对基础的精度要求极高，要求基础工作平台的变形量控制在0.005mm/m以内。基础上部荷载包括固定荷载与移动荷载，其中工作平台承重按照满载考虑，为均布荷

6、载。移动荷载与其余固定荷载按照集中荷载考虑。 图1：结构平面及剖面图 表1 基础上作用荷载 2 理论估算基础变形量 2.1 说明 由于此基础体型较大，外形复杂，在计算时需进行适当的简化。简化的原则：提高效应，减小抗力。 为此我们将基础简化为立方体计算，长宽为：15.61m、10.33m，高度由2m变化为8m，每次增量0.5m。采用材料力学欧拉梁理论计算。有如下关系式：=m（x）/ei。其中，为曲率；m（x）为梁上弯矩；e为梁截面刚度；i为梁截面惯性矩。可以得到当基础变形量为工艺要求的限值（0.005mm/m）下，基础在不同截面性质、不同混凝土强度下所能承受的最大弯矩。将所能承受的最大弯矩与基础

7、实际受荷情况（折算为26136.97knm）进行对比分析。 2.2 欧拉梁理论计算结果 表2 欧拉梁计算结果 图2：各标号各高度下最大弯矩 3 数值模拟 3.1 计算模型 桥式镗铣床基础上作用荷载见表1。其中工作平台承重为均布荷载，占所有固定荷载百分之八十以上。因而将固定荷载均简化为均布荷载作用于工作平台上。移动荷载取其最不利为位置（基础中部）布置，为集中荷载。 对桥式镗铣床基础建立模型，有限元分析中的主要参数分别取值为：混凝土泊松比，根据材料特性,混凝土的泊松比一般为0.170.23,混凝土结构设计规范对混凝土结构的泊松比取为0.2,但考虑到基础中钢筋的作用,横向变形系数会偏小,因而模拟计算

8、中泊松比取为0.17；混凝土结构阻尼比，根据建筑抗震设计规范第 5. 1.5条取值,取为0.05；混凝土密度为2430/m3；混凝土标号由c15变化至c40，对应弹性模量随之变化、基础高度由2m变化至8m，每次增量为0.5m。 单元采用solid45单元。solid45称为3d8节点实体单元，用于模拟3d实体结构。该单元由八个节点定义，每个节点有3个自由度，可退化为五面体的棱柱体单元或者四面体单元。这里采用solid45单元，模拟的是混凝土基础不考虑钢筋的情况。划分网格尺寸为0.35m。 3.2 基础最大变形计算 基础最大变形计算针对6种混凝土强度等级，13种基础高度进行了78次计算。单元为s

9、olid45单元，模拟完全弹性条件，忽略钢筋的有利影响，所得结果偏于安全。模型显示如下。 图3：c30、高度6m最大位移 78组数据整理如下图： 图4：不同高度不同混凝土标号基础变形角 4 结论 1）由欧拉梁计算结果可知：当基础高度大于等于3m，混凝土标号任意时，使得基础变形达到限值所需施加的弯矩均大于基础实际上部荷载折算的弯矩（26136.97knm）；同种标号混凝土，随着高度的增加，基础所能抵抗的最大弯矩显著增大；同一基础高度下，随着混凝土标号的增大，基础所能抵抗的最大弯矩随之增大，然而混凝土标号越高，增加幅度越不明显。 2）由数值模拟结果可知：当基础高度大于2.5m，混凝土标号任意时，基

10、础在实际荷载作用下的变形角均小于规定的限制；同种标号混凝土，随着基础高度的增加，变形角随之显著减小，当高度大于5m时几乎趋于不变；同一基础高度下，随着混凝土标号的增加，变形角随之减小，然而混凝土标号越高，减小幅度越不明显。 3）通过算例可以看出，此类基础当基础厚度选取合适时，基础自身的变形与规定的限值相差两个数量级左右，因此我们可以认为基础自身的变形忽略不计。对于上部设备产生不利变形的因素认为全部由基础下部土体与布置的桩体产生，也就是土体与桩的变形量。不利变形也就完全由土体与桩的不均匀沉降所引起，基础自身的变形忽略不计。 参考文献 l 动力机器基础设计手册.第一机械工业部设计研究总院,1983. 2 鞠建英.特种结构地基基础工程手册.中国建筑工业出