便携式机床卡环有限元分析与结构优化.pdf

D e s ig n a n d R e s e a rc h 设计与研究 便携式机床卡环有限元分析与结构优化 罗生梅①杨德 宇② ①兰州理工大学数 字制造技术与应用省部共建教育部重点实验 室， 甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0； ② 兰州理工大学机 电工程学院 ， 甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0 摘要 针对卡环承载状况和结构特点， 运用有限元优化设计方法 ， 建立了卡环的有限元分析模型， 进行了静 态和模态分析 ， 分别给 出了卡环等效应力和位移云图， 卡环前 4阶固有频率、 相应振型描述和模态位 移云图 ， 并对其重要设计参数进行 了全局灵敏度分析。在此基础上 ， 以卡环整体质量最小为 目标 ， 确 定了重要设计参数 的最优值 ， 最终得到符合工程应用要求的卡环结构形状。 关键词 有限元分析 优化设计P r o ／ ME CH ANI C A 卡环 中 图分 类 号 T P 3 9 1 ． 7 文献 标识 码 A F i n i t e e l e me n t a n a l y s i s a n d s t r u c t u r e o p t i mi z a t i o n o f t h e c l a s p o f p o r t a b l e ma c h i n e L UO S h e n g me i ，YANG De y u ① K e y L a b o r a t o r y o f D i g i t a l Ma n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y a n d A p p l i c a t i o n ，Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ， La n z h o u Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，L a n z h o u 73 0 0 5 0， CHN ； ② S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c a l E n g i n e e r i n g ， L a n z h o u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ， C H N A b s t r a c t A c c o r d i n g t o t h e l o a d c o n d i t i o n s a n d s t r u c t u r e o f t h e c l a s p ， t h e fi n i t e e l e me n t m o d e l F E Mo f w h i c h i s e s t a b l i s h e d b y me a ns o f fini t e e l e me n t me t ho d． Th e n，b a s e d o n t h e s t a t i c a n d mo d a l a n a l y s i s o f t h e c l a s p，t he c o n t o u r s o f y o n s t r e s s a n d d i s p l a c e me n t ，t h e fir s t f o u r n a t u r a l f r e qu e n c i e s，mo de s h a pe s a nd mo d a l di s pl a c e me n t c o n t o u r s o f t h e c l a s p a r e p r e s e n t e d ．I n a d d i t i o n，t h e g l o b a l s e n s i t i v i t y a n a l y s i s o f t he i mp o r t a n t de s i g n p a r a me t e r s i s a n a l y z e d．Fi n a l l y，t h e o v e r a l l q u a l i t y mi ni mu m o f t h e c l a s p i s t a k e n a s a n o b j e c t i v e ， t h e o p t i m a l v a l u e s o f i mp o rt a n t d e s i g n p a r a m e t e r s a r e d e t e r mi n e d a n d t h e s t r u c t u r e o f c l a s p s u i t a b l e f o r e n g i n e e r i ng a p p l i c a t i o n r e qu i r e me n t s i s o b t a i n e d． Ke y wo r dsFi n i t e El e me n t Ana l y s i s ； Op t i mi z a t i o n De s i g n； P r o ／MECHANI CA； Cl a s p 便携式密封 面镗铣 床 是为解决 大型压 力容器 法兰密封面和密封槽的在线修复难题而开发的专用数 控机床 。该机床通过 卡盘／ 孔径适应环 卡环 四周 的 胀紧螺钉固定于待加工的法兰孔 内表面上 ， 起着支撑 整机重量的作用。 与传统机床相比， 卡环相 当于床身， 而床身等支承 件是机床重要的基础件 ， 其静 、 动态特性直接影响机床 的加工精度及精度稳定性 ； 同时考虑 到在线加工时机 床安装定位的可靠性 以及对法兰根部 的弯矩作 用力 ， 因此有必要对卡环进行静 、 动态性能分析和以减重为 各项性能和精度指标均达到设计要求。投入使用后 ， 提高了加T质量和生产效率 ， 降低了成本 ， 增强了企业 的产品竞争力 。MK 5 2 2 5 1 8 m数控龙 门导轨磨 床的 研制成功 ， 使我国突破了这类机床的制造极限 ， 填补 了 同类磨床研制的空 白， 为我 国机床工业在大型导轨精 密加工领域争得了一席之地。 参考文 献 『 1 ] 机 床设计 手册编写组． 机 床设 计手册 3 『 M] ． - I L 京 机械 工 、 【 出版 Z U I訾 D I I l耳 b 社 ， 1 9 7 9． [ 2 ] 现代实 用 机床 设计 手 册编 委会 ． 现 代实 用 机床 设 计 手册 上册 [ M] ． 北京 机械工业出版礼 ， 2 0 0 6 ． 作者 张桂欣 ， 男， 工程师 ， 主要从事数控机床 的研 发 工作 。 编 辑 吕伯 诚 收稿 日期 2 0 1 0 0 8 0 9 文章编号 1 1 0 8 2 7 如果您想发表对本文的看法， 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。 设计与研究 D 蜘n D n d R 测rc n 目的的结构优化。 本文利用 P r o ／ E对卡环进行三维实体造 型， 通过 P r o ／ ME c H A N I C A结构有 限元 分析模块对 其进行静 、 动态性能分析和结构优化 ， 以提高卡环的有效刚度和 强度 ， 更好地支撑机床 ， 提高在线加工的精度和稳定 性 。 1 P r o ／ ME CHA NI C A简 介 J P r o ／ ME C H A N I C A是美 国 P T C公 司推 出 的集 结 构 、 热力学于一体的有限元分析软件 ， 能够进行静态、 动态、 疲劳 、 冲击 、 屈曲和稳定性等多种分析 ， 可以完全 实现几何实体建模和有限元分析的无缝集成。 有 限元分 析 的最终 目的是 为 了进行 优化设计 。 P r 0 ／ ME C H A N I C A有限元分析基本流程如图 1 。 2 卡环有限元分析 2 ． 1 卡环模型的创建 2 ． 1 ． 1 简化实体模型 实体建模过程 中， 假定卡环是使用各 向同性线弹 性材料制造而成 ， 且没有 内部缺陷； 几何形状上 ， 去除 所有的倒角和圆角 ， 简化处理螺纹孔 ， 按其公称直径建 模 。 创建模型 、 f 分析模型 、 创 建 并 简 化 实 体 模型L 一 定 义 并 运 行 静 、 动 态 分 析 任 务 添加材料属性、约 束及载荷 l I 对结果分析研究 网 格控制及有限元 模型 创建 J I 修改实 体及有限 元模型 ， l 优 化 设 计 、 r 灵 敏 度 分 析 、 分析结果 优化 l I 足义开运仃灵敏 发分机度 分析 更 改 实 体 模 型 I I 筛 选 与 性 能 相 关 的 变 最 图 1 Pr o ／ MECHANI CA有限元分析基 本流程 2 ． I ． 2 添加材料属性 卡环使用的材料为 1 6 Mn ， 查阅国家标准和相关材 料手册可得其室温基本性能参数如表 1所示 。 表 1 1 6 Mn室温性能参数 密度／ k gIl l 。 弹性模量／ G P a 屈服应力／ MP a 泊松 比 7． 8 5 1 03 2 0 6． 2 3 2 0 0． 2 6 8 2 ． 1 ． 3 定义约束和载荷 机床的安装分两步 首先 ， 利用卡环四周伸出多个 M2 4的胀紧螺钉， 借助四爪式附具将其完全胀紧在法 兰内孔 中； 其次 ， 用 6个 M2 0的螺钉把机床与卡环 固 定连接。 因此 ， 定义约束时， 在卡环四周的螺纹孔 圆柱面上 6个 自由度完全固定 ； 定义载荷 时， 由于机床为蚂蚁啃 骨头的工作方式 ， 进 给量极小 ， 切削力可 以忽略不计， 在此仅考虑机床本体重量和卡环 自重 。实测机床总质 量为 1 2 5 k g ， 均匀分布于卡环与机床连接孔上 ， 卡环 自 重 1 1 2 k g 。 2 ． 1 ． 4 建立有限元模型． | ． 定 考虑到模型 的对称性 及有 限元 分析 的速度 ， 仅 对 卡 环 1 ／ 6部 分 进 行 建 模 。最终得 到有 限元模型 如 图 2所 示 有 限 元 网 格 共 有 4 8 8 1 个 四 面 体 和 1 2 0 2个节点组成。 2 ． 2 卡环模型的分析 2 ． 2 ． 1 静态分析 图2 卡环有 限元模型 静态分析是计算结构在稳定的外载荷作用下的响 应 ， 主要包括结构的位移、 应力和应变等 。卡环等效应 力和位移云图如图 3所示。 图3 卡环等效应 力和位移云 图 2 ． 2 ． 2模态分析 任何一个结构都有固有频率 ， 如果外部激励的频 率和其 固有频率接近 ， 就会产生共振， 最终导致结构的 破坏。卡环作为在线机床的支撑装置， 其动态特性直 接影响到加工的精度和稳定性 。由于低阶模态对振动 、 系统的动态特性影响较大 ， 本文提取了卡环的前 4阶 模态 ， 给出其前 4阶固有频率 和相应振 型， 如表 2所 示。各阶模态位移云图如图 4所示。 表 2 卡环的前 4阶固有频率和相应振 型 阶数 固有频率／ H z 振型描述 1 1 9 6 7 ． 8 整体绕 Y轴扭摆 2 2 5 0 4 ． 4 整体沿 l ， 轴摆动及边角部分绕 扭动 3 2 7 2 6 ． 2 整体沿 y轴摆动 4 3 4 0 HO ． 7 卡环边角部分 波浪形摆动 2 ． 3 分 析结 果评价 由卡环应力和形 变分布情况 可知 ， 其应力集 中区 域主要分布于胀 紧螺钉孔附近 以及与机床连接孔周 等 ￡u I1 平 帚 b 朋 围， 变形较大 的区域 位于机床连接 孔附近 ； 从 数值上 看 ， 最大等效应力为 2 ． 3 4 9 MP a ， 最大变形量为 4 ． 1 3 8 x 1 0 ～m m， 远远小 于材料允许 的强度标准和设计标准。 其低阶固有频率数值较 大， 不在机床振动频率范围附 近 ， 也是安全 的。为减轻 卡环重量 ， 减少设计 中的冗 余 ， 有必要对其进行优化设计 。 图4 卡 环前4阶模 态位 移云 图 3 卡环结构参数优化 3 ． 1灵敏度分析 通常情况下 ， 每个零件设计参数较多且每个参数 对特定设计 目标 的影响程度也不 同。灵敏度分析的 目 的就是为优化设计筛选出重要设计参数并确定参数的 合理变化范围。 3 ． 1 ． 1 局部灵敏度分析 局部灵敏度分析只检验单个参数对模型结果的影 图5 局部灵敏 度分析 参数 ． 誉 誊 ， 垂 毒 ≮ ． 、。 善 ≥ ≥ 图6 各参 数对 一阶模态 频率 的影响 曲线 一 ； l l 十 o 响， 并根据模型静态／ 动态分析的预定参数来定量分析 每个设计参数对模型性 能影 响的程度 ， 从 而可 以确定 哪些参数对模型性能影响最大 ， 即重要设计参数。 根据卡环的结构特点 、 应力云图、 位移云图的分布 状况 ， 分别选取 d 4 、 d l 0、 d 1 6和 d 2 7做局部灵敏度 分 析 ， 如图 5所示 。各参数对一 阶模态频 率的影 响趋势 如图 6所示 。 3 ． 1 ． 2全局灵敏度分析 全局灵敏度分析是检验多个重要设计参数变化对 模型结果产生的综合影响， 据此可以确定参数 的合理 变化范围。 在静态分析和模态分析的基础上 ， 选取 d 4 、 d 1 6和 d 2 7作为重要设计参数进行全局灵敏度分析 。得到各 参数对模型等效应力和一阶模态频率的全局灵敏度曲 线 ， 如 图7和图 8所示。根据 图示可以得到各参数 的 合理取值区间 d 4为[ 5 8 ， 6 6 ] ； d 1 6为 [ 4 8 ， 5 6 ] ； d 2 7为 『 1 8 ， 2 6 ] 。 骑 ， 。 ■ 1 ． 自t | ．I ’ 州‘k ． 1 ／ ／ ＼ ＼ ＼ 。 一／ ＼ ⋯。。。 ／ ＼ 一 ／ _＼ 毫 ⋯ ／ ／ ／ _ ⋯ 。 t 。 ．， 篮 l 4 c 图7 各参数对模型等效应力的全局灵敏度曲线 黎 强 一 一 ＼i 一 L-、 三 善 ＼ lll ＼ 一 ＼ ； - l ⋯ - ＼ ． ＼0、 ’- 一＼ 、 ＼ ／、 、 L ＼ ＼ 、 太 ， ． - ’ ＼ 。‘ 。 ． I ． 翱 E ⋯ 图8 各参 数对一 阶模态频率 的全 局灵敏度 曲线 3 ． 2结构参数优化 优化设计是在满足给定 的约束条件 下 ， 找到满足 优化 目标 的重要设计参数值。一般优化设计 的数学模 型包括三要素 设计变量 、 目标 函数和约束条件。卡环 优化模型三要素确定如下 目标 函数 整体质量最小 ； 设计变量 根据灵敏度分析结果 ， 选取对卡环模型 设计与研究 D e s ig n a n d R e s e a 『c h 应力和位移影响较大， 与其质量相关度大的参数作为 优化变量 ， 如 d 4 、 d 1 6和 d 2 7 ； 约束条件 模型应力最大处应满足强度条件 ≤ [ ] 3 2 0 ／ 2 ． 51 2 8 M P a ， 变形最大处应满 足位移条 件 6 ≤0 ． 0 0 0 8 m m。 表 3 优 化结果 模型参数 原始值 优化值 d 4 ／mm 6 O 5 5． 4 7 d 1 6 ／mm 5 O 4 5． 7 6 d 2 7 ／ram 2 0 2 4． 2 5 最大应力／ MP a 2 ． 3 4 9 3 ． 7 4 8 最大位移／ IL m O ． 4 l 3 8 0 ． 6 4 5 7 模 型质量／ k g 1 8 ． 6 7 1 6 ． 4 8 根据上述模型建立优化设计任务并运行 ， 可得 到 使卡环质量最轻的优化结果 。优化结果如表 3所示。 由表 3可 以看 出 优 化后 ， 卡 环 1 ／ 6部分 减 重 2 ． 1 9 k g ， 减重率达 1 1 ． 7 ％ ， 最大应力和位 移均有所增 加， 但都在优化约束允许的范围内， 对模型整体性能影 响不 大 。 4结语 利用 P r o ／ E N G I N E E R提供 的结 构分析模 块 P r o ／ M E C H A N I C A可方便地对各种模型进行静态 、 动态性 能分析和结构参数优化 ， 避免 了模 型在不同软件间的 转换误差。通过对卡环的灵敏度分析， 找到了影响卡 环性能的重要设计参数 ， 继而通过优化设计确定了参 数的最优值 ， 从而提高了优化效率， 减 轻了卡环质量。 因此 ， 利用 P r 0 ／ M E c H A N I c A对重要零件进行有 限元 分析和结构优化不失为一种有效的设计方法。 参考文献 [ 1 ] 赵学 ， 张娜 ， 等． 大型压力 容器法兰密封面现场修 复加工装置 的设计 [ J ] ． 兰州理工大学学报， 2 0 0 6 ， 3 2 4 4 6 4 9 ． [ 2 ] 张继春， 徐斌， 林波． P r o ／ E N G I N E E R Wi l d fi r e结构分析[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 3 ] 张先刚 ， 朱平 ， 等． 摩托车车架的动态特性分析及减振优化研究 [ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 5， 1 6 1 2 1 1 1 4 1 1 1 7 ． [ 4 ] 丛明 ， 房波 ， 等 ． 车一 车拉数控机床拖板有限元分析及优 化设计 [ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 8， 1 9 2 2 0 8 2 1 3 ． [ 5 ] 宋云强 ， 方宗德 ， 等． 直升机一体化齿轮轴 的模态分析及优化 [ J ] ． 机 械设计 与制造 ， 2 0 0 8 1 0 1 5 2 1 5 4 ． [ 6] 崔岸， 王登峰 ， 等． 基于模 态灵敏度 分析 的商用车 驾驶室 结构优 化 [ J ] ． 汽车工程 ， 2 0 1 0， 3 2 6 5 3 5 5 3 9 ． 第一作者 罗生梅 ， 女 ， 1 9 6 4年生， 副教授 ， 高级工 程师， 主要从事数控技术与精密制造装备、 仿真技术研 究。 编辑谭弘颖 收稿 日期 2 0 1 0 - 1 0 - 2 9 文章编号 1 1 0 8 2 8 如果您想发表对本文的看法。 请将文章编号填入读者意 见调查表中的相应位置。 书 讯 现代夹具设计手册朱耀样 ， 浦林样主编 邮购价 1 6 6 ． 0 0元 本手册全面总结了我国半个世纪来的工业化过程中机械制造业内设计制造各类夹具的丰富经验， 绝大部分资料都通过生产实 践的考验 ， 包括从国外引进 后消化 、 吸收和改进的内容 ， 也包含作者 以往亲历的研发项 目的成 果。 本手册内容主要包括 夹具总论 ； 夹具功能部件的典型结构； 夹具设计计算； 专用夹具常用零件及其标准或规范； 气动、 液压 、 电 力、 电磁、 真空夹具传动系统及其元件和夹具案例； 机床专用夹具设计方法； 机床专用夹具设计及典型图例； 可调夹具和成组夹具； 组合夹具， 数控机床、 加工中心、 柔性制造系统用夹具； 检验夹具； 焊接夹具 ； 计算机辅助夹具设计等。主要适用于各种机床夹具 、 焊 接夹具 、 检验夹具 等的设计 、 制作 、 使用人员 ， 管 理人员 ， 相关专业在校 师生 。 汽车覆盖件模具设计与制造全过程检验图解李用哲编著 邮购价 4 7 ． 0 o元 模具制造水平的提高， 除了需要模具制造企业不断学习和总结制造技术外 ， 还需要建立系统从模具设计到模具验收的“ 制造过 程控制检验标准” ， 加强模具 制造过程 的全面控制机模具 的最终验收工作。 本书作者依据国内外的模具设计资料及 2 0多年的现场工作经验， 总结制订了模具工艺图、 模具设计图、 实型泡沫、 模具装配、 模具静态检验和动态检验六个方 面的检查验收标准 ， 并 对每一个检查 项 目都 以图解 的形式列 出 了最 主要及最基 本的检查 内容 ， 通 俗易懂， 实用性、 可操作性强 ， 易于学习掌握。 本书不仅 可以用作模具 制造企业 的“ 模具 制造过程控制检验标准”， 也可用作汽车整车 制造厂新产 品开发的 “ 委 托制造模具 的 过程控制及验收标 准” 。 齿轮加工速查 手册张宝珠 主编 ， 2 0 1 0年 1 月出版 邮购价 5 8 ． 8 0元 本书是一本齿轮加工速查工具书 。其主要 内容包括 齿轮加工基础数据 、 圆柱齿轮计算 、 锥齿 轮计算 、 圆柱 齿轮加工 、 锥齿轮加 工、 圆柱直齿渐开线花键、 齿轮测量与检验。本书内容全面， 实用性强； 书中的技术数据主要以表格形式给出， 并在附录中列出了全 书图表一览 ， 便于读者查阅。 来款请寄 北京市朝阳区望京路 4号 ， 机床杂 志社 收 ， 邮编 1 0 0 1 0 2 。 2‘