基于ANSYS的重型机床立柱的静态和模态分析.pdf

信息技术 唐朋飞， 等 基于 A N S Y S的重型机床立柱的静态和模态分析 基于 A N S Y S的重型机床立柱的静态和模态分析 唐朋飞 ， 郭旭红 ， 张明利 ， 焦猛 1 ．苏州大学机电工程学院， 江苏 苏州 2 1 5 0 0 6 ； 2 ．苏州汇源精密机械有限公司 江苏 苏州 2 1 5 1 4 3 摘要 以某重型机床 立柱 为对 象， 通过 三维制 图软 件 P r o ／ E建 立三维 实体模 型 ， 把 模型 导入 A N S Y S中， 对机床立柱进行静力学及模态分析， 获得机床立柱的位移分布情况、 固有频率和振 型。通过 A N S Y S分析得到的结果为以后对重型机床立柱的优化设计提供 了理论依据， 缩短了 设 计周期。 关键词 有限元法； 静态分析； 立柱； 优化设计 中图分类号 T H1 2 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 2 0 6 0 1 1 1 一 o 4 S t a t i c a n d M o d a l An a l y s i s o f He a v y M a c h i n e Co l u mn Ba s e d o n ANS YS T ANG Pe n g f e i ，GUO Xu - h o n g ，Z HANG Mi n g l i ，J I AO Me n g 1 ．S c h o o l o f Me c h a n i c a l E l e c t r ic a l E n g in e e r i n g o f S o o c h o w U n iv e r s i t y ， S u z h o u 2 1 5 0 0 6， C h i n a ； 2 ．S u z h o u J ia n g y u a n P r e c is io n Ma c h i n e r y C o ． ， L t d ． 。 S u z h o u 2 1 5 1 4 3 。 Ch in a Ab s t r a c t T h i s p a p e r t a k e s t h e c o l u mn o f h e a v y ma c h i n e a s t h e o b j e c t o f s t u d y a n d u s e s P r o ／ E t o b u i ld t h e t h r e e - d ime n s io n a l s o l id mod e l wh ic h is imp o r t e d i n t o t h e ANSYS，a n d t h e n mak es t he s t a t i c a n d mo d al a n aly s i s， i n or d er t o o b t ai n t h e dis pla c eme n t dis t r ibu - t i o n，n at u r a l f r e qu e nc ie s an d mo de sh a p es o f t h e c ol u mn．Th r ou g h t h e r es u l t ob t a i n e d b y ANSYS，i t is pr o v ed t ha t t h e r e s e ar c h g i v e s t h e t he o r e t i c a l ev ide n c e t o t h e o pt i mi z at i o n o f t h h e a v y ma c h i n e c o l u mn a n d t h e p er i o d o f de s ign is s h ort en e d． ’ Ke y wo r d sf i n it e e l e men t me t h o d；s t a t ic an a l y s is；c o l u mn； o p t i ma l d e s i g n 0 引言 随着工业的发展 ， 现代制造业对机床的生产效率和加 工精度提出了更高的要求 J 。立柱是重型机床 的重要零 部件之一， 在机床加工中起着重要的作用。在加工过程 中， 主轴箱在立柱导轨上上下运动。在载荷的作用下 ， 立 柱会产生变形和振动， 这极大地影 响了加工中零件的精 度。国内对机床立柱有很多研究， 刘江， 唐传军等 对立 式加工中心立柱进行了动态分析， 比较了不同筋板布置对 立柱的动态性能的影响； 陈庆堂 利用 A N S Y S对数控机 床立柱进行了结构分析并对立柱进行了优化 ， 优化设计结 果在控制 3个方 向刚度合理分配 的同时， 质量减轻 了 1 2 ． 8 7 ％ 。 本研究中利用三维制图软件 P r o ／ E建立立柱的实体 模型， 把实体模型导人到 A N S Y S 1 0 ． 0中， 对立柱模型进行 应力、 变形分析和模态分析 ， 对提高立柱的性能及改善机 床的加工精度提供一定的指导意义 J 。 1 建 立模 型 1 ． 1 实体模型的建立 利用三维制图软件 P r o ／ E进行实体建模， 建立立柱实 体模型， 由于机床立柱的模型比较复杂， 为了减小计算量， 对部件性能影响较小的一些细小的结构进行简化处理。 本文中通过将 A N S Y S直接集成到 P r o ／ E中， 所以在模型 的转换不脱离 A N S Y S和 P r o ／ E这两个软件的情况下， 从 而实现了无缝连接， 真正做到 C A D ／ C A E的一体化， 保证 了模型的完整性。 立柱材料 为 H T 3 0 0 ， 在 A N S Y S中设置单元类 型为 S o l i d i 8 5 。定 义 弹 性 模 量 E 1 ．4 3 X 1 0 “ P a ， 泊 松 比／ 1 , 0 ． 2 7 ， 密度 P 7 ． 4 X 1 0 k m 。为 了后 面加 载 的方 便 ， 所以把立柱和主轴箱结合起来建立模型如图 1 所示。 基金项目 江苏省工业支撑项 目 B E 2 0 I 1 0 7 6 ； 苏州市技术专项项目 Z X G 2 0 I 1 3 1 作 者简介 唐朋 飞 1 9 8 5 - ， 男， 河南上蔡人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向 机械制造及其 自动化 。 Ma c h i n e B u i l d i n g田 Au to m a ti o n ， J ． n 2 0 1 2 ， J 6 1 1 1～1 1 4 图 1 立柱模 型 信息技术 唐朋飞， 等 基于A N S Y S的重型机床立柱的静态和模态分析 柱的整体刚度较好。由于立柱受到侧向力， 故 向的刚度 与Y向和 向的刚度相比较差 ， 这一点从位移云图中得到 了验证。从 应力 云 图 中可 知， 立 柱受 到 的最 大应 力 为 1 ． 6 6 8 M P a 远小于其强度极限 3 0 0 MP a ， 故可知立柱在 设计上趋于保守， 有很大的改进空间。 2 从模态分析中可知， 立柱的整体振型不明显， 说明 其整体刚度较好。第四阶和第五阶显示的是局部模态， 其 振型扭曲咀显， 说明立柱局部的材料分布不合理 ， 需要再 局部对立柱进行优化或加固， 比如设计加强筋。 3 以上分析可知， 立柱的设计趋于保守， 其结构具有 较大的抵抗 变形 和破 坏 的潜力 ， 需 要对 立柱 进行 优化 设 计 ， 这为以后对立柱的研究提供了参考。 参考文献 [ 1 ]杨浩 ， 秦萍 ， 李柏林 ， 等．基于 A N S YS的落地式镗铣床模态分 析[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 0， 9 3 8 9 1 ． 1 3 8 ． [ 2 ]陈庆堂．基于 A N S Y S的数控 铣床立柱 结构分析及 参数优化 设计 [ J ] ． 郑州轻工业学院学报 自然科学 版， 2 0 1 0 ， 5 2 5 1 0 5 ． 1 2 4． [ 3 ]郝锌 ， 闵小 俊， 张向宇．基于 A N S Y S的 T H 6 5 1 0 0立 柱结构 的 静力分析及改进设计[ J ] ． 计算机技术， 2 0 0 9 ， 4 3 6 4 4 ． 5 2 ． [ 4 ]刘江， 唐传军， 张旦旦． 立式加工中心立柱结构动态分析及优 选[ J ] ． 机床设计及制造 ， 2 0 1 0 ， 8 2 0 1 2 0 2 ． [ 5 ]姚屏 ， 姚宏 ， 王 晓军 ， 等．A N S Y S下 的数控 车床床身拓扑优化 设计[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 9 ， 1 1 3 7 2 0 8 ． 2 1 0 ． [ 5 ]饶柳生 ， 潘勇军 ， 王其亮 ， 等 ．利用模态 分析 的机 床立柱改 进 [ J ] ． 现代制造工程 ， 2 0 1 0， 4 2 5 1 5 7 ． 收稿 日期 2 0 1 2一 O 10 6 上接第 9 9页 [ 1 2 ] S u n Yu w e n ，G u n D o n g min g ，J i a z h e n y u a n ． I s o - p a r a m e t ri c t o o l p a t h g e n e r a t i o n f r o m t ria n g u l a r me s h e s f o r f r e e - f o r m s u r f a c e ma - c h i n i n g [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f A d v a n c e d Ma n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 0 6 2 8 7 2 1 7 2 6 ． [ 1 3 ]D e S o u z a A F ，C o e l h o R T ．E x p e ri m e n t a l i n v e s t i g a t i o n o f f e e d r a t e l i m i t a t i o n s o n h i g h s p e e d [ J ] ．I n t e rna t i o n a l J o u r n a l o f A d v a n c e d M a n u f a c t u ri n g T e c h n o l o g y 2 0 0 7 ， 3 2 5 1 1 0 4 1 1 1 4 ． [ I 4 j M e e k D S ，Wa l t o n D J ．A p p r o x i m a t i n g q u a d r a t i c N U R B S C u rve s b y A r c S p l i n e s [ J ] ．C o m p u t e r A i d e d D e s i g n ，1 9 9 3， 2 5 6 3 7 1 3 7 7 ． [ 1 5 ]范炳炎． 数控加工程序编制[ M] ． 北京 航空工业出版社 ， 1 9 9 0 ． [ 1 6 ]赵吉宾 ， 刘伟军 ， 王越超． 基于 N U R B S曲线的 S T L模型截面 轮廓平滑处理技术研究 [ J ] ． 小 型微型计算 机系统 ， 2 0 0 5 ， 2 6 3 4 9 6 - 4 9 9 ． [ 1 7 ]李建 刚， 张婷华 ， 李泽湘 ， 等． 数控加工 中的连续 多段直线轨 迹 B - S p l i n e 拟合 [ J ] ． 哈尔滨工 业大学学报 ，2 0 0 8， 4 0 1 0 l 6 0 6． 1 6 0 8 ． [ 1 8 ]P a r k H， L e e J H．B - s p l i n e c u rve fi t t i n g b a s e d o n a d a p t i v e e u rve r e fi n e m e n t u s i n g d o mi n a n t p o i n t s[ J] ． C o m p u t e r-Ai d e d D e s i g n ， 2 0 0 7 ， 3 9 6 4 3 9 - 4 5 1 ． [ 1 9 ]陈晓兵 ， 廖文和． 三角网格表面数控加工 圆弧样 条刀轨研究 [ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 9 ， 2 0 1 4 1 6 4 2 ． 1 6 4 6 ． [ 2 O ]陈晓兵， 廖文和． 利用特征刀位点的三角网格表面 N U R B S 刀轨生成[ J ] ． 计算机辅助设计与图形学学报， 2 0 1 0 ， 2 2 9 1 5 8 7 1 5 9 2． [ 2 1 ]J u n g J Y．N C t o o l p a t h g e n e r a t i o n for 5 - a x i s ma c h i n i n g o f f r e e f o r m e d s u v ／C a c e s [ J] ．J o u rna l o f I n t e l l i g e n t M a n u f a c t u ri n g ， 2 0 0 5 ，1 6 7 1 1 5 1 2 7 ． [ 2 2 ]L e e Y S ．N o n i s o p a r a m e t r i e t o o l p a t h p l a n n i n g b y ma c h i n i n g s t ri p e v a l u a t i o n for 5 - a x i s s c u l p t u r e d s u rf a c e m a c h i n i n g[ J ] ． C o m p u t e r A i d e d D e s i g n ，1 9 9 8 ，3 0 7 5 5 9 5 7 0 ． [ 2 3 ]L i n T ，L e e J W ， B o h e z E L J ．A n e w a c c u r a t e c u r v a t u r e m a t c h i n g a n d o p t i ma l t o o l b a s e d fi v e a x i s ma c h i n i n g alg o r i t h m[ J ] ． J o u rna l o f Me c h a n i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy ， 2 0 0 9， 2 3 7 2 6 2 4 ． 2 6 3 4． [ 2 4 ]R a n A， S a r ma R ．O n l o c al g o u g i n g i n fi v e a x i s s c u l p t u r e d s u r - f a c e m a c h i n i n g u s i n g fl a t e n d t o o l s[ J ] ．C o m p u t e r A i d e d D e - s i g n ， 2 0 0 0， 3 2 7 4 0 9 4 2 0 ． [ 2 5 ]C h o i B K， P a r k J W， J u n C S ．C u t te r - l o c a ti o n d a t a o p t i m i z a t i o n i n 5 - a x i s s u rf a c e m a c h i n i n g[ J] ．C o m p u t e r．A i d e d D e s i g n ， 1 9 9 3 ， 2 5 6 3 7 7 3 8 6 ． [ 2 6 ] C C ．E ffic i e n t c u t t e r p a t h p l a n n i n g f o r fi v e axi s s u rf a c e m a c h i n i n g w i t h a fi a t e n d c u t t e r[ J ] ．C o m p u t e rA i d e d D e s i g n， 1 9 9 9 ， 3 1 7 5 5 7 5 6 6 ． [ 2 7]R a m 6 n Q s，Ma r c e l i n o R S，E l e n o A B ．G e n e t i c a l g o r i t h m． b a s e d m u l t i - o b j e c t i v e o p t i mi z a t i o n o f c u t t i n g p a r a me t e r s i n t u rni n g p r o c e s s e s [ J ] ．E n g i n e e ri n g A p p l i c a t i o n s o f A r t ifi c i al I n - t e l l i g e n c e ，2 0 0 6， 1 9 1 2 7- 1 3 3 ． [ 2 8 ]G u z e l B U，L a z o g l u I ．I n c r e a s i n g p r o d u c t i v i t y i n s c u l p t u r e s u r - f a c e ma c h i n i n g v i a o ff l i n e p i e c e wi s e v a ria b l e f e e d r a t e s c h e d u l i n g b a s e d o n t h e f o r c e s y s t e m m o d e l [ J ] ．I n t e r n a t i o n al J o u rnal o f Ma c h i n e To o l s＆ Ma n u f a c t u r e 2 0 0 4， 4 4 21 2 8． [ 2 9 ]F u s s e l l B K， J e r a r d R B，H e r m e n t J G， R o b u s t f e d e r a t e s e l e c ． t i o n fo r 3 - axi s N C ma c h i n i n g u s i n g d i s c r e t e m o d e l s [ J ] ， T r a n s a e - t i o n o f t h e AS ME， 2 0 0 1 ， 1 2 3 5 2 1 4 2 2 4 ． [ 3 0 ]陈晓兵 ， 廖文和， 孙 全平． 一 种高速 数控加工 自适应 进给 速 度生成算法 [ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 8， 1 9 2 2 0 4 ． 207 ． 收稿 日期 2 0 1 2 0 3 2 5 h t t p ／ ／ Z Z H D ． c h i n a j o u rna 1 ． n e t ． e n E - m a i l Z Z H D e h a i n a j o u rn a 1 ． n e t ． c n 机械制造与自动化