基于ansysworkbench的高速立式加工中心机房的三维有限元分析

基于ansysworkbench的高速立式加工中心机房的三维有限元分析

1dvg650钢结构台型机床工作台结构拓扑优化的必要性根据设计变量的不同类型，结构优化可以分为：尺寸优化、形状优化、结构配置优化和类型优化。近年来,尺寸优化、形状优化发展已经较为成熟,随着有限元方法、数学规划和计算机的发展,结构拓扑优化成为研究热点。结构拓扑优化是在给定的载荷及边界条件下,确定材料在设计空间的最优分布。按照其研究对象可分为骨架类结构拓扑优化和连续体结构拓扑优化。工作台是DVG850高速立式加工中心的重要基础件,它静、动态特性直接影响机床的加工精度及精度稳定性。在机床工作台的设计中,人们总是希望在满足强度和刚度的条件下尽可能地减轻工作台的质量,因此,对工作台进行静刚度的分析及结构优化尤为重要。ANSYSWorkbench软件是以有限元分析为基础的大型通用CAE软件,本文采用ANSYSWorkbench软件对DVG850工作台进行静刚度分析及拓扑优化设计。2工作台装配体的简化模型采用SolidWorks软件分别建立工作台、工件与丝杠母座的三维实体模型,并将它们组合成工作台装配体。考虑到一些细小特征对结构整体的性能影响很小,根据圣维南原理,对部分局部特征如倒角、凸台、螺钉孔等进行了适当的简化。简化模型既提高了有限元分析的效率,又不会明显影响工作台的刚度和强度。简化后工作台装配体模型,如图1所示。3基于ansysbrap主体的cae仿真环境设计选用ANSYSWorkbench作为有限元分析工具,ANSYSWorkbenchEnvironment(AWE)作为新一代多物理场协同CAE仿真环境,它包含得三个主要模块:几何建模模块、有限元分析模块和优化设计模块。3.1机床坐标系和材料信息打开ANSYSWorkbench的“Simulation”模块,将装配体模型以SolidWorks原文件格式导入ANSYSWorkbench中。由于ANSYSWorkbench系统中的坐标系与机床坐标系不一致,如没有特殊说明,均为ANSYSWorkbench系统的坐标系。按照设计要求,工作台和丝杠母座的材料均为灰铸铁HT300,所以添加材料信息时,取材料弹性模量为(1.4×105)MPa,泊松比为0.24,密度为7200kg/m3;工件的材料为普通碳钢,取材料弹性模量为(2.06×105)MPa,泊松比为0.26,密度为7850kg/m3。在装配体接触选项中,均采用默认接触选项;划分网格时精度选取高精度,其余选项均为默认,以“GenerateMesh”的形式划分网格。3.2位移约束时各向静刚度分析类型选择为静力分析,开始进行静力学分析。工作台是由位于滑座导轨上的四个滑块支撑定位的,它可以沿X向移动,因此,给四个接触面添加位移约束时,限制Y、Z方向运动,即Y、Z方向位移为0,X向位移设置为自由,约束添加位置如图2(a)中B处所示;而丝杠母座由于要和丝杠过盈配合,不允许发生相对运动,给丝杠母座右端面添加位移约束时,设X方向位移约束为0,Y、Z方向位移设置为自由,约束添加位置如图2(a)中A处所示。分别算出各向静刚度,对各向静刚度分析结果,如表1所示。由表可知,各向静刚度均满足设计要求,说明其本身设计是合理的。4“布置”优化拓扑优化实际上是一种模型的几何构形的优化,某些情况下也可以称之为“布置”优化。拓扑优化的目标是,在受到给定约束的情况下,为了使某个目标量(总体刚度、自振频率等)最小化或最大化而寻求实体材料的最佳使用方案。4.1工作台形状优化利用ANSYSWorkbench的拓扑优化功能,得到固定载荷作用下的工作台模型,在保证结构刚度的前提下,以减少的材料质量为状态变量,最大可能的优化工作台形状。4.2同静力学优化结果有限元模型的创建与静力学分析的相同,在加载求解步骤中,分析类型选择为“ShapeOptimization”,位移约束添加同静力学分析,给工件在三个方向同时添加100N载荷,设置优化目标为30%,进行求解运算,得出优化结果如图4所示,其中红色所示为建议删除的部分。4.3红色区域的切除如图4所示的拓扑优化结果为不规则形状,在实际的机床设计中,考虑到应力分布问题等情况,不能将所有红色区域全部切除,在SolidWorks三维绘图软件中将原工作台按规则形状切除部分区域,同时增大工作台内部筋板的厚度,这样得出工作台模型,如图5所示。4.4工作台静力学分析按照ANSYSWorkbench中静力学分析步骤,对优化后的工作台进行静力学分析,分析得到位移变形量,根据变形结果计算各向静刚度,静刚度分析结果,如表1所示。由表中数据可知,改进后工作台静刚度基本不变,仍满足设计要求,而质量却减轻23.2kg。5工作台的设计及求解应用ANSYSWorkbench对工作台进行静刚度分析,在满足静刚度要求的基础上应用ANSYSWorkbench中的拓扑优化模块进行优化分析,根据优化结果,对工作台进行改进,将原工作台的质量减轻了23.2kg,既满足了静刚度设计要求,又节省了材料,从而得到了较优的工作台设计方案。在工件的三个不同面各加载100N的均布面力,分别计算工作台X、Y、Z三个方向的静刚度,X、Y、Z方向的均布面力作用位置分