车床床身结构有限元分析(共34页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上题目：CA6140车床床身有限元分析 二一七年十二月绪 论机床床身在其应用设备中是非常重要的部件，它的强度和刚度会直接影响到整个设备的工作性能。本文首先描述了本课题的实验目的及课题来源，然后建立了床身的几何模型并对其进行受力分析，最后使用ANSYS软件对床身进行建模分析，直观的观察床身的变形情况，并详细介绍了使用ANSYS对床身的建模处理方法与过程。本文主要对于ANSYS中三维建模后导入到ANSYS经典和ANSYS Workbench中分析进行操作，比较互相之间的区别，并总结合适的场合，以适应在不同场合快速、准确、灵活运用ANSYS的目的。床身在使用过程中承受静压力和

2、部分冲击载荷，从而引起变形，而随着时间的推移和累积这种压缩变形和弯曲变形也会逐渐积累变大，若不及时检修极有可能会影响整个设备的正常使用，进而影响整个任务的完成，因此提前对床身受力分析及变形进行仿真与检验，从而保证床身工作可靠性是极为重要的。而如何较准确地得到静压作用下床身的应力、变形的大小及分布，对于床身的设计、改进具有十分重要的作用。1、目的本次大作业的目的是为了加深对理论知识的理解以及有限元技术的实际运用，通过具体课题的实际操作熟悉有限元分析软件ANSYS的具体使用方法，学会解决操作中遇到的相应问题的应对措施，同时从问题中看出有限元的基本思想，学会工程问题的分析求解方法。2、实验设备Ans

3、ys 15.0软件，Ansys17.0 workbeach软件,Creo2.0软件3、课题来源CA6140（教学型）数控车床主要由主轴箱、床身、导轨、刀架、拖板、步进电机等组成的教学型卧式车床，主轴箱与床身通过螺栓来固定，刀架固定在拖板上，而大拖板带着刀架通过水平直丝杠沿导轨在水平方向左右移动，中拖板通步进电机实现前后移动来完成切割工件的工作。机床床身可直接放置于地面上或通过地脚螺钉来固定地面上。整机总重量为2230kg吨，本研究课题，以教学实验为背景，基于己有的有限元分析软件ANSYS，就教学型CA6140数控车床的箱体、床身结构进行应力、应变分析和模态分析以及其结构优化设计。对箱体、床身的

4、传统设计，往往凭经验或己有的教程实例用比拟的方法进行设计，其结果是安全系数过大、笨重、浪费材料，难以达到最优设计。已具有的资料表明，国内对箱体、床身的整体结构分析和优化设计不是很多，没有形成一套完整的理论和方法。因此，本课题主要研究的内容是利用有限元分析方法和优化技术在确保结构安全可靠的前提下使结构更加合理，在保证结构有足够的强度、刚度和稳定性的条件下，节省材料消耗，降低产品成本。建立一种普遍适用于箱体结构的有限元分析模型；给出载荷模拟以及边界条件处理的方法；研究和探讨计算结果的分析、评价方法；通过箱体、床身结构的有限元模态分析，从箱体、床身结构动态特性出发，探索提高箱体结构动态性能的方法；将

5、有限元分析方法与最优化技术相结合，克服优化设计中数学建模的困难，利用机械行业功能强大的Creo2.0图形软件，从工程应用的角度出发，研究和开发一套实用的、高效的结构优化设计方法。本课题是利用有限元分析方法和优化技术在确保结构安全可靠的前提下使结构更加合理，在保证结构有足够的强度、刚度和稳定性的条件下，节省材料消耗，降低产品成本。整个分析过程都在计算机虚拟环境下完成。在零部件结构优化设计的同时，设计人员还要考虑零部件工艺设计和制造工艺设计，以此作为部件结构优化设计的约束条件，共同作为零部件结构优化设计的指导方案，真正实现了结构设计的后期工序的早期介入。4、床身几何模型的建立及受力分析CA6140

6、（教学型）数控车床床身是数控车床的重要的部件之一，它结构为不规则的空间几何模型，床身（重要）尺寸为1500mmX550mmX450mm，材料采用HT200，床身总重 245.12kg，材料为HT200，弹性模量为E=110Gp，泊松比为0.26。在建立模型时考虑如下几点:(1)忽略各处过渡园角；忽略床身上所有的螺栓孔。这些假设都不会对床身的重量及刚度产生大的影响，完全能保证足够的计算精度。(2)设床身为理想焊接(焊接质量应得到保证，其焊接处强度近似于材料内部强度)，在建立有限元模型时不予考虑。(3)在建模时，通常部件和部件的连接用短梁来模拟螺栓。应当注意的是梁单元运用的条件，梁单元长度过长，则

7、引起较大的位移误差，若梁单元长度过短，近似于横截面尺寸，则模型单元不合理；所以建立我们在建模时把床身作为一有限元整体来分析模型较合适。原始几何模型由导师提供，如图4-1所示，由于有限元分析主要针对的是整体模型，对于模型中小孔划分网格时容易产生尖角，难于分析，此模型中又有较多对整体有限元分析结果影响不大的小孔，如图4-2所示，因此我们首先做的工作是将原始几何模型中小孔进行了填补，填补后结果如图4-3所示。再填补后的模型基础上我们将模型分别转化为了适合于ANSYS以及workbench导入的.igs格式文件及.stp格式文件。在原始模型基础上我们将模型转化为了适合于ANSYS以及workbench

8、导入的.igs格式文件。图4-1 原始床身三维模型图4-2 原始床身局部三维模型图4-3 填补简化后床身三维模型根据实际使用情况，简化床身的受力分析图如图4-4所示，其中A1 A2 A3面受力。图4-4 床身的受力分析图5、利用ANSYS15.0经典模块进行床身静力分析5.1床身材料选取在结构设计和加工工艺正确合理的条件下，主要是材料的强度决定着床身的体积、重量和寿命，作为床身的材料，不仅需要具有优良的机械性能以外，同时也要使床身的加工容易和造价低廉。经综合考虑最终选定HT200。相比于普通的钢材价格低廉，机械性能和使用性满足要求。 5.2床身的有限元分析有限元分析（Finite Elemen

9、t Analysis）是随着计算机的应用而发展起来的一种数值计算方法。随着电子计算机的发展，有限元分析方法已经成为疲劳强度分析和寿命预测的主要辅助工具。在有限元的分析过程中，模型建立和网格划分极为重要，直接影响有限元分析的正确性和精确程度。5.3对ANSYS软件的介绍ANSYS软件作为有限元分析最为常用的软件，由美国宾夕法尼亚州匹兹堡的ANSYS公司开发，是一款融结构、热、流体、电磁、声学于一体，以有限元分析为基础的大型通用CAE软件，它可广泛用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航空航天、汽车交通、电子、土木工程等诸多领域。5.4床身的静力学分析5.4.1床身模型的导入使用的Creo2.0将原

10、有的床身模型进行简化，将简化后的模型转化为ANSYS中可以导入的.igs文件，并在ANSYS中导入以.igs格式的模型文件，如图5-1所示：图5-1 床身模型导入Ansys图5-2 模型igs文件导入到Ansys5.4.2定义属性单元类型定义属性单元类型（Element Type），编辑单元类型，添加solid>20node186。如下图5-3所示。图5-3 定义属性单元类型5.4.3模型属性材料设置Ansys中需要为模型确定材料，并定义模型的弹性模量和泊松比，弹性模量E=1.1e+11N/M，泊松比u=0.26如图5-4及图5-5所示：图5-4 定义模型材料图5-5 定义模型弹性模量及

11、泊松比5.4.4网格划分利用网格划分工具（Mesh Too)，对床身模型进行网格划分，如图5-6所示：图5-6 三角形网格划分选择需要划分的单元体，如图5-7所示：图5-7 选择需要划分的单元体划分后的结果如图5-8所示：图5-8 三角形网格划分结果如图5-8所示，划分结果并不理想，有大有小，不够均匀，因此对划分网格的最小尺寸进行了设置，设置参数如图5-9所示：图5-9 设置网格划分参数图5-10 三角形网格划分局部结果图5-11 三角形网格划分结果图5-12 三角形网格划分结果由图5-10,5-11及图5-12可知，三角形网格的划分结果还算理想。5.4.5列表整体模型参数由5-13，5-14

12、，5-15，5-16结果所示整个模型共有72个面，136个体，个节点，73171个单元体。图5-13 面总数图5-14 体总数图5-15 节点总数图5-16单元体总数5.4.6加载与求解（1） 约束条件的施加（Displacement）根据实际情况床身底部全约束，床身全约束过程如图所示，Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Areas，在弹出对话框后，在绘图区域选取两个底面部分面，单击“OK”图5-17右端面约束 图5-18左端面约束（2）载荷的施加（Pressure）对于床身的载荷，根据实际情况下的受力特点，近似

13、为是上部床身面受到均布载荷。这里选用在危险面上施加载荷，承载位置前面已经给出。Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralpressureArear，选取面，加载Y方向向下的压力后如图所示。压力值合计33000N。每个面受力为10000N+10000N+13000N。图5-19 框选载荷面图5-20 设置载荷参数（3）求解Main MenuSolutionSolveCurrent LS，在弹出的对话框中单击“OK”，则开始分析计算。当出现“Solution is done”的对话框后，表示分析计算结束，如图所示。图 5-21 求解完成5.4.7进入后

14、处理器查看计算结果（1） 显示Mises应力云图Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，在弹出的“Contour Nodal Solution Data”对话框中，选择“Stressvon Mises stress”，如图所示。图 5-22 显示Mises应力云图的操作然后单击“OK”，则生成的Mises应力分布云图如下图所示。图 5-23 Mises应力分布云图（整体）图 5-24 Mises应力分布云图（2）显示总变形位移云图在上图“Contour Nodal Solution Data”对话框中，选择“DOF

15、 SolutionDisplacement vector sum”，则生成的结果如下图所示。图 5-25 总变形位移云图（整体）图 5-26 总变形位移云图（局部1）图 5-27 总变形位移云图（局部2）（2）绘制应力变化曲线图由应力云图我们可以看到，床身的右侧受力变形较大。根据力学知识，刚板在受压的情况下，很可能会发生小挠度屈曲变形，这对结构的整体稳定性的影响比较大，因此我们选取该部位进行分析，以研究其应力变化。5.4.8结果分析（1）Mises应力分布云图分析图 5-28 Mises应力云图根据Mises应力云图显示，该床身模型在受到静压力的情况下，最大应力处（即危险点）位于床身左侧地脚面

16、处，其应力值为24.8028Mpa。整个床身的应力分布比较合理，能够保证立柱在机床工作情况下的安全性、可靠性。（2）总变形位移云图分析图 5-29 总变形位移云图根据总变形位移云图显示，该床身模型在受到静压力的情况下，变形主要分布在床身左边半部位，尤其是机床载重处，有相对来说比较大的变形。而事实上，本次求解的加载条件不能完全反映实际情况，因为在实际工况下，机床在加工过程中，不仅受静压力的作用而且还收到动载荷的冲击作用。这样的话，最终的总变形位移云图将会是复杂的情况的情况。这是本次课题求解的一个局限性。6、利用ANSYS17.0 Workbench模块进行车床床身静力分析通过croe2.0对车床

17、床身三维模型进行修改，使之满足ANSYS Workbench17.0分析的相关要求，然后通过将其导入ANSYS Workbench中来对车床床身进行网格划分和边界条件的施加，分析车床床身的变形以及应力情况。具体过程如下：6.1车床床身有限元模型的建立6.1.1 车床车身三维模型建立要对床身进行静力分析和模态分析，首先需为床身建立实体模型，本研究采用三维软件croe2.0进行实体模型绘制。车床床身结构为不规则的空间几何模型, 床身结构尺寸为 1500mm×550mm×450mm,材料为HT200,密度为7.8 ×103kg/m3, 弹性模量为110 GPa ,泊松比

18、为0.26。为了有限元分析的便利,有必要在建立床身有限元模型时对其实体模型进行诸如忽略各处过渡圆角以及床身内部筋板的连接方式为理想焊接形式等方面的简化。具体模型如图6-1所示图6-1 CA6140车床床身三维模型6.1.2 启动Workbench 17.0并建立分析项目打开Workbench 17.0，点击界面左侧Toolbox下的Geometry，点击界面左侧Toolbox下的Analysis System中的Static Structural（静力分析）如图6-2所示：图6-2 选择Static Structural（静力分析）6.1.3工程参数设定双击Engineering Data，进

19、入材料参数设置界面。一般有默认添加钢材的参数。将材料密度设定为7800 kg/m3，杨氏模量为110*1011，泊松比为0.26。如图6-3所示。图6-3 工程参数设定6.1.4 模型导入将Creo2.0中修改好的三维模型保存为Workbench 17.0可以导入的.igs格式的文件，在Workbench 17.0右击Geometry导入三维模型，结果如图6-4所示：图6-4 导入模型6.1.5网格划分ANSYS Workbench具有ANSYS更强大的网格划分功能。除了可以进行网格划分控制（如尺寸控制、局部细化等），面映射网格划分，体扫掠划分，ANSYS Workbench还具有ANSYS没

20、有的网格划分功能Hex-Dominant，以及更加智能化的虚拓扑功能。将车床床身虚拓扑化后图形如图6-5所示。图6-5 虚拓扑化后图形选定Hex-Dominant网格划分方法以及配合使用虚拓扑和映射划分方法后，利用其中的Mesh模块，点击Generate，来对曲轴的网格进行划分。在此之前可以先对网格单元的大小进行设定，本次划分没有预先进行设定，因为不清楚具体划分后网格是如何分布，所以先进行粗略划分。未调节网格单元大小的网格划分如图6-6所示。图6-6 未调节网格大小的网格划分在进行曲轴网格的粗略划分之后，观察到网格划分的有些地方网格单元比较大，有些地方比较小且比较密，所以可以对网格的大小进行调

21、节，点击ELEMENT SIZE项目栏，本次将网格单元大小设置为10，然后在重生成网格，调整网格大小重新生成的网格如下图所示，可以很明显的看到调整大小重生成的网格比初次划分的网格要好得多，都比较规则，如图6-7所示。图6-7 调节网格大小后的网格划分6.2车床床身约束及载荷施加6.2.1添加车床床身约束车床床身的约束设置在车床床身的底面，采用固定约束，如图6-10所示：图6-10 添加车床床身约束6.2.2车床床身载荷的添加CA6140床身主要起支撑机床的作用，应具有良好的刚性、热稳定性以及抗震性。本研究不考虑床身受到的地基的影响，只对床身承受的外载荷以及工作产生的附加力进行研究。床身在工作时

22、，除了受到切削力，还要考虑床身的自重以及与之相连的床头箱、尾座、床鞍、刀架和工件等的重力，这些外载荷对床身的变形也起到很大的作用。现通过分析以及经验计算得到床身上的外载荷总为33000N 。采用有限元分析软件ANSYS Workbench进行分析计算，需考虑到车床床身的实际使用情况，以最危险工况，即刀架处于中间位置，分析车床床身受到载荷情况下的应力和应变。在Stastic Structural中选择pressure，如图6-11所示：图6-11载荷的施加6.3静力分析结果图6-12载荷作用下的整体形变图6-13载荷作用下的等效弹性应变图6-14 载荷作用下的等效应力由上述结果可知，车床床身在单

23、独静载荷的作用下，最大的变形量为0.mm，最大的等效弹性应变为6.3607e-005 m/m，等效应力的最大值为6.9605Mpa；由此可见车床床身在单独静载荷的作用下变形量很小，等效弹性应变及应力的大小也符合要求。6.4绘制应力分布曲线进一步分析车床床身在动载荷的作用下应力应变，选择车床床身在动载荷作用下应力相对较大的部位绘制其相应的应力分布曲线图，其过程如下：图6-15 构造几何线图6-16 路径添加图6-17 选取作应力分析的曲线分布选取曲线在车床床身整体下变形情况如图：图6-18 选取作应力分析的曲线分布应力分布曲线如下图所示：图6-19 应力分布曲线6.5结果分析 从车床床身的有限元

24、分析结果可知，车床床身在静载荷作用下满足工作要求，其形变及应力应变的最大位置均在车床床身的中间位置，床身模型在受到静压力的情况下，最大应力处（即危险点）位于床身左侧地脚面处，整个床身的应力分布比较合理，能够保证机床在工作情况下的安全性、可靠性。7、总结本次有限元大作业，主要研究对象为CA6140车床床身部件。本小组成员主要首先对CA6140车床床身部分模型进行了简化，然后运用ANSYS15.0和ANSYS Workbeach对简化后的模型进行静力分析。在整个实验的过程中，我们的基本流程为：1) 车床床身几何模型的建立与受力分析；2) 利用经典ANSYS软件分析；3) 利用ANSYS Workb

25、ench软件分析。在两软件中分析流程基本相似，步骤均为：1) 添加模型；2) 添加材料；（经典ANSYS需要增加选取单元步骤）3) 网格划分；4) 设置约束及添加载荷；5) 应力分析。通过近2个月的ANSYS软件的学习，我们现在可以灵活地运用经典ANSYS与ANSYS Workbench两软件来分析一些较复杂的模型。另外我们总结了经典ANSYS与ANSYS Workbench的各自优缺点。经典ANSYS主要有以下优点：利用SIZE等控制单元的大小，保证长边上产生单元的大小与短边上产生单元的大小基本相等，绝大部分面都能生成非常规则的四边形网格，对于三维的壳单元，给面赋于实常数，便于设置约束及添加载荷时直接选面。 经典ANSYS主要有以下缺点： 1）对于体网格划分，要得到比较漂亮的网格，需要使用扫掠网格划分，而扫掠需要满足严格的扫掠条件，因此，复杂的三维实体模型划分网格是一件比较艰辛的工作，需要对模型反复的修改，以满足扫掠条件，或者一开始建模就要考虑到后面的网格划分； 2）体单元大小的控制也是一个比较麻烦的事情，一般要对线生成单元的分数进行控制，要提高划分效率，需要对选择命令相当熟悉；值得注意的是，在生成网格时，应依次生成单元，即一个接着一个划分，否则，可能会发现有些体满足扫掠的条件却不