大型落地镗铣床工作台床身有限元分析和优化设计

1、第 31卷第 3期 苏 州 大 学 学 报 (工 科 版 Vol. 31No32011年 6月 JOURNAL OF SOOCHOW UNIVERSITY (ENGINEERING SCIENCE EDITION Jun2011收稿日期 :20101225作者简介 :汪恩矞 (1977 , 男 , 硕士研究生 , 主要研究方向为重型机床轻量化设计 。 基金项目 :苏州市应用基础研究 (工业 资助项目 (编号 SYG201025 ; 青海华鼎重型机床有限责任公司资助项目 (编号 P111700310 。文章编号 :1673047X (2011 03002603大型落地镗铣床工作台床身有限元分析和

2、优化设计汪恩矞 1, 2, 郭旭红 1, 张 丽 3, 王 洪 4(1苏州大学机电工程学院 , 江苏 苏州 215021; 2丹麦埃维柯 (上海 有限公司 , 上海 200030;3江苏盐南中等专业学校 , 江苏 盐城 224002; 4苏州江源精密机械有限公司 , 江苏 苏州 215000摘 要 :运用 ANSYSWORKBENCH 对落地镗铣床的工作台床身进行参数化建模 , 并对其进行静态结构的有限元分析 , 根据分析的结果对床身进行了轻量化设计 。 结果表明 :在保证床身刚度基本不变的情况下 , 通过调整床身导轨面和加强筋的厚度 , 将床身质量降低了 68%, 有效地降低了产品的成本 。

3、关键词 :大型落地镗铣床 ; 工作台 ; 床身优化 ; 有限元中图分类号 :TG502; TG112文献标识码 :A0引 言机床床身是机床的重要支承部件 , 起支撑各种零部件的作用 。 机床床身结构的性能将直接影响到机床的加工精度 、精度稳定性 1, 机床的这种高精度特点要求机床支承部件必须质量小 、 刚性高 , 因此 , 提高机床支 承部件的刚度成为机床结构设计的重要主题 。 随着 CAD /CAE技术的发展和计算机运算速度的提升 , 基于数 值计算的机床结构优化技术获得了广泛应用 。 目前 , 机床三维结构优化的一个重要内容是在机床基本构型确 定后 , 通过改变尺寸参数优化机床的性能 ,

4、从而构成了以机床结构参数为设计变量 , 以机床的某些性能为目标函数的优化问题 2。1参数化建立物理模型图 1床身简化模型由于床身的实际结构很复杂 , 其筋板 、 圆角 、 窗孔多 , 且各处厚度不尽相同 , 几何形状变化不一 , 如果将几何模型局部特征如小倒角 、小圆弧 、 小凸台 、 螺钉孔等都加入优化运算 , 将会影响计算速度34。 通常在不影响计算精度的前提下 , 应该尽量简化有限元模型 , 将那些不影响床身刚度要求的小倒角 、 小圆弧 、 小凸台略去 。 简化后的床身模型如图 1所示 。在机床建模过程中对加强筋和床身面板壁厚采用参数化建模 , 以便于优化设计 。2床身静刚度分析静态分析

5、是用来计算在固定载荷作用下结构的效应 , 即由稳态载荷引起的系统或部件的位移 、 应力 、 应变和力 。 床身静刚度分析步骤 ,首先必须对有限元模型进行网格划分 , 然后确定床身在实际工况下的边界条件 , 如工作载荷和约束条件 , 最后进入求解器求解 。21网格的划分大型落地镗铣床的床身部件材料大多采用灰铸铁 HT300, 取弹性模量 E =157GPa , 泊松比 =027, 密度=735g /mm3。 由于机床床身结构复杂 , 因此利用 WORKBENCH 网格自由划分功能自动划分模型网格 , 在网格划分选项中选择默认设置 , 有限元模型的网格划分采用以 20节点的 Solid186六面体

6、实体单元和 10节点 的 Solid187四面体实体单元的单元网格混合划分方式 , 共得到 35747个单元 70548个节点 。 由于床身导轨处变形最大 ,为了得到准确的结果 , 在这些地方采用局部细化网格的方法来划分 。 22约束条件床身通过 20个地脚螺钉与地基固定 , 简化为在地脚螺钉面上加全约束 , 以达到约束的目的 。 同时对床身 中部与地基接触的面施加上下方向的约束 。23工作载荷通过机床主电动机功率和机床加工工件的最大尺寸以及主轴转速 , 计算机床的额定扭矩和额定力 , 由 F x F y F z =03:05:10得到 3个切削分力 , 计算工作台 、 滑座 、 电机等构件的

7、质量 , 并将上述质量均作为作用在床身上的附加质量处理 ,并作为作用在床身上的附加载荷处理 。 将以上计算数据和约束作为边界载荷添加到床身的 WORKBENCH 模型中 , 计算得到床身静态的位移云 图变形如图 2所示 。 静态综合最大变形量为 124m。 图 2位移云图3床身的结构优化为了确定床身导轨面厚度和加强筋厚度的最优结构参数 , 以获得最佳的床身结构的质量 , 利用 WORK-BENCH 的优化模块 DesignXplorer 采用 DOE 方法进行优化 。 将床身的质量 WEIGTH 最小作为目标函数的衡 量标准 , 床身的最大变形 SPEC_STIFF作为刚度的衡量标准 。优化方

8、法 :采用零阶优化 。 根据输入参数的数目 , 利用蒙特卡罗抽样技术 , 采集设计参数样点 , 计算每个 样点的响应结果 , 利用二次插值函数构造设计空间的响应面或设计曲线 。 根据设计要求 , 在床身结构的刚度 满足条件的情况下 , 对床身进行轻量化设计 。设计目标 :优化的目标是最小化床身的质量 , 即 WEIGTH 的最小化 。优化的数学模型 :Min (WEIGTH 。状态变量 :H =610(床身高度不变 , 防止加强筋板与导轨面的干涉 ;SPEC _STIFF 00124(床身结构的刚度尽量不大于原型 。设计变量的取值范围 :90 DS _A 110(床身导轨面厚度的取值范围 ;3

9、6 DS _B 44(加强筋厚度的取值范围 。对床身导轨面厚度和加强筋厚度等结构参数进行优化后 , 得到的优化结果如附表所示 。附表 改进前后的优化比较结果 优化目标优化前 优化后 变化率 床身质量16412kg 15298kg 68%床身刚度 00124mm 00125mm 08% 图 3导轨面厚度 、 加强筋厚度对床身刚度的响应曲面 图 4导轨面厚度 、 加强筋厚度对床身质量的响应曲面优化后在保持刚度基本不变 , 同时减轻床身质量的情况下 , 可以根据需要从 3个可选优化方案选择一个 最适合的方案 。 从图 3中可以看到加强筋厚度对质量的影响比导轨面厚度对床身刚度的影响要明显的多 。 从图

10、 4中可以看到导轨面厚度的变化对床身质量基本没有显著的影响 , 加强筋厚度才是床身质量的主要的影 响因素 ; 当导轨面厚度一定时 , 随着加强筋厚度减小到 37mm 以下 , 由于床身高度不变 , 因此加强筋高度增加 , 床身质量增加 。4结 论(1 静力学性能 。 通过对机床各主要组成部件的有限元静态分析 , 得到床身的位移云图和最大变形为 00124mm 。 优化后 , 床身的最大变形为 00125mm , 变化率为 08%, 即床身的刚性基本不变 , 保证了机床的 加工精度 。(2 轻量化效果 。 床身部件的质量由原来的 16412kg 减小到 15298kg , 减轻质量达 68%。(

11、3 采用 DOE 的方法得到的床身结构优化方案不仅适合大型落地镗铣床床身优化的理论设计 , 而且由 于改进方案中仅对床身的导轨面厚度和加强筋厚度进行了优化 , 整体结构变化很小 , 有效地降低了产品的成本 , 因此非常适合实际生产的需要 。(下转第 54页 参 考 文 献1宦海祥 , 范 真 电动振动设备的发展及展望 J 环境试验 , 2006, 24(4 :28312法庆衍 , 洪宝林 随机振动试验应用技术 M 北京 :中国计量出版社 , 1996:77813傅志方 , 华宏星 模态分析理论与应用 M 上海 :上海交通大学出版社 , 2000:12, 2512524沃德 ·海伦 ,

12、 斯蒂芬 ·拉门兹 , 波尔 ·萨斯 模态分析理论与试验 M 北京 :北京理工大学出版社 , 2000:801025盛宏玉 结构动力学 M 合肥 :合肥工业大学出版社 , 2005:79816许本文 , 焦群英 机械振动与模态分析基础 M 北京 :机械工业出版社 , 1998:5760, 2982997李红强 , 钱志良 , 王孝忠 , 等 电动振动台扩展台面的动力学性能分析 J 苏州大学学报 (工科版 , 2005, 25(4 :3638Structural Analysis and Optimal Design of Electrodynamic Vibrator Ap

13、pending TableXia Tianliang 1, Wang Jine 1, Lu Huaqiang 1, Zheng Jianzhou 2, Lu Yun 2(1School of Mechanical and Electrical Engineering , Soochow University , Suzhou 215021, China ;2Sushi Testing Instrument COLTD , Suzhou 215129, China Abstract :Some electrodynamic vibrator appending table is used as

14、the research object , the finite element analysis is applied to the original designed structure , the preceding 20step natural vibration frequencies and the corresponding vibration modes of the appending table are obtainedWe optimize the design of the table by combining with the theo-ry of modal ana

15、lysisWith analysed modal analysis and harmonic response of the new designed appending table , we give the first step's inherent frequency on the axial direction and the vibration modeThe calculation data is the same as the modal test results , so it manifests the accuracy and effectiveness in th

16、e modeling and analysisAt the same time , the reference for design of the whole table and further dynamic research is offered by the investigation methodKey Words :modal analysis ; natural Frequency ; finite element analysis ; optimal design ;櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴 electrody

17、namic vibrator (上接第 28页 参 考 文 献1汪 宇 , 王东方 基于 AnsysWorkbench 的立式加工中心床身有限元分析和优化设计 J 制造业自动化 , 2009, 31(9 :1291312魏 巍 , 张连洪 , 徐彦伟 , 等 机床结构 CAD /CAE集成分析与逐步回归建模方法 J 农业机械学报 , 2010, 41(6 :1871923李德雨 基于 ANSYSWorkbench 的多层波纹管自振频率计算 J 矿山机械 , 2005, 33(6 :83844王艳辉 精密机床床身的模态分析与结构优选 J 机械设计与制造 , 2005(3 :7677Optimiz

18、ation and Finite Element Analysis about the Worktable sBed of Large Floor Milling MachineWang Enyu 1, 2, Guo Xuhong 1, Zhang Li 3, Wang Hong 4(1School of Mechanical and Electrical Engineering , Soochow University , Suzhou 215021, China ; 2AVK Holding A/SChina Supply Office, Shanghai 200030, China ; 3Jiangsu Yannan Specialized Secondary school , Yancheng 224002, China ; 4Suzhou Jian