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木工加工中心悬臂力学分析 本科毕业论文本科毕业论文 （普通高等教育） 论文题目论文题目木工加工中心悬臂力学分析 学学院院工学院 专业名称专业名称机械设计制造及其自动化 班班级级机械 10-2 班 学学号号101014210 姓姓名名刘运辉 指导教师指导教师张厚江职职称称教授 木工加工中心悬臂力学分析 I 木工加工中心悬臂力学分析 机械设计制造及其自动化 10-2刘运辉 指导教师张厚江 摘要摘要 木工加工中心是一类功能比较齐全的数控木工加工机床。 它把木材加工工艺中的铣、 锯、 钻孔、开槽等加工功能集合在一起，使得机床的加工手段更多，加工功能更加强大。同时， 加工中心都具备有刀具库， 能够根据加工的需要和程序的控制实现自动换刀， 提高加工效率。 从结构形式上来说， 木工加工中心又大致分为龙门式和悬臂式两类， 而目前市场上龙门 式居多， 但是根据龙门式与悬臂式的对比分析和目前的一个市场信息， 从龙门式过渡到悬臂 式是一个必然的趋势。木工机械的切削力小、加工精度低, 多数产品为生产性连续加工, 经 常装卸工件,采用单臂悬臂的结构方式装卸工件便捷、 机床结构简单、 维护方便, 且完全可以 保证木制品的加工精度要求。因此悬臂式具备比龙门式更多的结构简单、重量轻、运输与安 装方便、节省材料以及更好的加工性能的优点。 在悬臂木工加工中心机械结构中， 悬臂梁是一个及其重要的构件， 起着支撑主轴系统和 连接工作台等关键零部件的作用。 因此， 悬臂梁的性能好坏直接影响到整个加工中心的加工 性能。也正是基于此，在广州弘亚数控机械股份有限公司（KDT，极东机械）和北京林业 大学机械专业老师的联合讨论下， 确定对悬臂木工机械悬臂梁进行力学分析， 以保证在研发 与生产的过程中有明确的数据来保证悬臂梁的性能，进而保证加工中心的性能。 论文首先按照原始图样， 建立了三维立体造型。 然后将三维模型导入 Ansys 有限元分析 软件中进行了有限元静力受力分析，得到悬臂梁的最大应力为 2.60MPa，完全满足材料的许 用应力=235MPa；最大变形量为 46.87m，比较接近国家标准及公司原有设计要求的 50m 的变形量极限， 说明原始设计的悬臂梁的变形量安全系数不够大， 需要进行进一步的 优化设计。最后对悬臂梁原始结构进行结构优化设计，通过对几种优化方案的对比分析， 得 到了改变悬臂梁截面尺寸为最优设计方案的结论。 关键词关键词:木工加工中心，悬臂梁，有限元，优化设计木工加工中心，悬臂梁，有限元，优化设计 木工加工中心悬臂力学分析 II MechanicsAnalysisof WoodworkingMachiningCenterCantilever Mechanical Design Manufacturing Automation 10-2Liu Yun-hui Supervisor :Zhang Hou-jiang Abstract Woodworking machining center is a kind of numerical control woodworking machine with relatively complete functions. It combines wood processing technology such as milling, sawing, drilling and slotting together, to make more processing methods, and more powerful functions. At the same time, the machining center is equipped with tool library, which can realizes automatic tool change with the control of program, according to the need of the processing, to improve processing efficiency. According to structure forms, woodworking machining centers can be classified into two categories, gantry and cantilever. In the current market, the gantry type is the majority, but according to the contrastive analysis of gantry and cantilever, and present market information, it is an inevitable trend that cantilever will gradually become the majority. Wood-working machine has small cutting force and low machining accuracy. Most products are productive continuous processed, and workpieces need frequent loading/unloading. However, it is convenient to load and unload workpieces when single-arm cantilever is used, which has simple structure, convenient maintenance, and can guarantee the accuracy of wood products. Therefore, compared with gantry, cantilever possess has advantages of simple structure, light weight, convenient transportation and installation, less material used and better processability. In the mechanical structure of cantilever woodworking processing center, the cantilever beam is a critical component, which plays a role in supporting shaft system and connecting workbench with other key components. Therefore, the quality of beam directly affects the processing performance of machining center. Based on this, under the joint discussion of Guangzhou Hongya NC Machinery co., LTD and mechanical professional teachers from Beijing Forestry University, cantilever for mechanical 木工加工中心悬臂力学分析 III analysis on beams of cantilever wood-working machinery is determined, to make sure there is clear data in the process of research and development to ensure the performance of the beam, and to guarantee the performance of the machining center. In the first, according to the original pattern, this paper established the three-dimensional modelling;And then put the 3 d model into finite element analysis software Ansys, finited element static force analysis,and got the maximum stress of the beam is 2.60 MPa which can completely satisfy the allowable stress of material = 235Mpa;Also got the maximum deformation of 46.87 m, which close to the national standard and the original design requirements of 50 m deformation limi.This result stated that the safe coefficient of the original design is not big enough ,so it needs further optimization design.Finally, put the structure optimization design to the original structure of the cantilever beam , through the comparative analysis of several optimization schemes, the change of cantilever beam section size is the best one. Keywords ： WoodworkingMachiningCenter,Cantilever,FiniteElement,Structure Optimization 木工加工中心悬臂力学分析 IV 目录 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 引言.1 1.2 研究背景.2 1.2.1 国外木工加工中心发展与现状2 1.2.2 国内木工机械的发展与现状2 1.3 单臂木工加工中心介绍.3 1.3.1 机械结构.3 1.3.2 运动方式介绍 5 1.4 主要研究内容6 第二章第二章 有限元分析理论有限元分析理论.7 2.1 有限元法基本理论.7 2.2 有限元分析应用软件.8 2.3Ansys 应用软件简介.8 2.3.1Ansys 特点简介.8 2.3.2Ansys 功能界面简介.8 2.4 静力分析.10 2.5 小结.10 第三章第三章 单臂木工加工中心悬臂梁的三维单臂木工加工中心悬臂梁的三维 CAD 建模建模11 3.1 三维 CAD 建模的概念与特点11 3.2 三维 CAD 建模软件介绍12 3.3 悬臂梁三维 CAD 建模13 3.3.1 建模的参数依据 13 3.3.2 建模结果 13 3.3.3 模型简化 14 3.4 小结.16 第四章第四章 单臂木工加工中心悬臂梁的有限元静力学分析单臂木工加工中心悬臂梁的有限元静力学分析17 4.1 工况分析.17 4.2 对悬臂梁的有限元建模.17 4.3 模型材料属性的确定.19 4.4 模型网格划分.19 木工加工中心悬臂力学分析 V 4.5 约束与载荷的定义.19 4.6 求解.20 4.7 结果分析.20 4.7.1 悬臂梁静刚度分析20 4.7.2 悬臂梁的静应力分析23 4.8 各工况对比分析.24 4.8.1 应力情况 24 4.8.2 变形情况 26 4.9 不同加载位置加载点变形量分析. 27 4.9.1 变量设置 27 4.9.2 结果分析 28 4.10 小结29 第五章第五章 悬臂梁结构优化设计与分析悬臂梁结构优化设计与分析 30 5.1 结构优化设计理论.30 5.2 悬臂梁结构优化设计必要性 30 5.3 悬臂梁结构优化设计初步方案 31 5.3.1 改变截面形状 31 5.3.2 改变悬臂梁内部筋板布置31 5.3.3 改变肋板尺寸 32 5.4 优化结果分析.32 5.4.1 改变截面尺寸的结果分析32 5.4.2 改变悬臂梁内部筋板布置的结果分析34 5.4.3 改变肋板尺寸结果分析35 5.5 优化方案综合对比分析.36 5.6 小结.36 第六章第六章 总结与展望总结与展望.38 6.1 总结.38 6.2 展望与提高.38 致谢致谢.40 参考文献参考文献.41 木工加工中心悬臂力学分析 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言引言 木工机械行业是家具工业、建材工业与装修等行业的基础产业, 木材加工技术的进步依 赖木工机械行业的技术进步, 一个国家木工机械的水平往往决定了这个国家相关产业的发 展水平。因此, 提高我国木工机械行业的技术水平是整个木材行业发展的需要1。中国家具 工业的产量已经在国际上领先, 人造板产量居世界第一。中国木工机械行业作为家具和人造 板生产行业的基础产业, 也应成为国际领先的木工机械制造业2。 但是随着科学技术的不断向前发展， 新技术、 新材料、 新工艺在不断的涌现。 电子技术、 数字控制技术、激光技术、微波技术以及高压射流技术的发展，给家具机械的自动化、柔性 化、 智能化和集成化带来了新活力， 使得木工机床的种类在不断增加， 技术水平在不断提高。 在目前的技术要求下，木工机械的发展趋势主要是：提高木材的综合利用率、提高生产效率 和自动化程度、提高加工精度、应用新技术、发展柔性化集成化加工制造系统等等1。 而在竞争日益激烈的市场环境下， 一个公司一个企业要向获得一份市场份额， 唯一的手 段就是不断进行技术革新，满足不断发展的人类生活要求1。但是，在目前的国内木工机械 市场上，真正有国人自主创新的品牌并不是很多，自主研发的木工机床种类也很少，很多高 效率高技术的生产设备都依靠进口，所以自主研发高新技术的生产设备迫在眉睫。 木工数控加工机床是近几年木工及家具制造业出现的新产品, 代表了木工机械行业的 发展趋势。 为了使数控木工机械在家具制造行业能够体现柔性高, 精度高的生产技术，木 工加工中心不仅在技术上更先进,更人性化(具加工精度更高,降低了工人的劳动强度和对工 人操作技能的要求),而且也与环境更协调(在降低环境污染的同时又应用工业设计的理念对 产品外观加以改造)。因此，对加工中心的研发更能满足现代木工机械的发展趋势1。 但是，一个新兴产品，在大量进入市场之前，总会出现一些大大小小的问题。在木工加 工中心的研发过程中， 单臂木工加工中心是比较先进的加工中心， 但是国内外厂家对该机器 是否研发和投产都比较慎重。其中一个主要原因就是悬臂静力学和动力学分析数据不足。 若 能对该悬臂力学做比较全面细致的分析，对后续的机械设计、控制系统补偿、加工工艺分析 等工作都是非常有意义的。 木工加工中心悬臂力学分析 2 1.2 研究背景研究背景 1.2.1 国外木工加工中心发展与现状国外木工加工中心发展与现状 在木工机械的发展历程中，国外技术一直是走在前列的，一直是超越中国的技术的。18 世纪末，近代木工机械诞生在英国，木材加工开始了机械化进程。1799年，布鲁奈尔 （M.I.Bruner）发明了造船业专用木工机床，使得工效得到显著提高。1808年，英国人威廉. 纽伯瑞（Williams Newberry）发明了带锯机。1828年，伍德沃思（Woodworth)发明了单面压 刨，可以将木材加工成规定的厚度。1958年，美国首次展出了数控机床，数控技术在机械上 首次得到见证。10年后，英国、日本相继开发了数控木工镂铣机，使得数控技术在木工机械 上得到利用3。 近20年来，随着电子技术和数控技术的发展，木工机床也在不断采用新技术。1982年英 国瓦特金（Wadkin）公司发展了CNC木工加工中心1。经过科学与技术不断的发展与进步， 木工机械也在不断得到改进、提高与完善3。在目前国际上，木工机械较为发达的有：德国、 意大利、美国、日本、法国、英国以及我过的台湾省。4而在目前木工机械行业内的龙头企 业则是德国的豪迈（HOMAG） ，其次便是意大利SCM公司。 数控木工机械的出现是木工机械工业的一场革命。现在, 国外木工机械的数控化已经覆 盖了所有木工机械。而木工加工中心即是数控木工机械的一种4。木工机械的切削力小、 加 工精度低, 多数产品为生产性连续加工, 经常装卸工件,而采用单臂悬臂的结构方式装卸工 件便捷、机床结构简单、维护方便, 且完全可以保证木制品的加工精度要求。因此，龙门式 木工加工中心向悬臂式的木工加工中心过渡成为了必然趋势， 这不仅是国际上木工机械发展 的趋势，也将是国内木工机械发展的趋势5。 1.2.2 国内木工机械的发展与现状国内木工机械的发展与现状 由于我国近代受帝国主义的欺压， 再加上腐败的清政府实行闭关锁国的封闭政策， 使我 国在近代以来，科学技术的发展一直停滞不前，所以在木工机械行业内，从近代以来就一直 处在落后的局面上。一直到建立新中国，我国的木工机械基本为零，几乎全部依靠进口。 但 是，到了20世纪五六十年代的时候，我国的机械行业发展的很迅速，木工机械也得到快速发 展。几十年来，已经从仿制、测绘发展到独立设计研发制造自己的木工机械了1。 1995 年上海家具机械厂接受用户的委托，成功地开发出 MXK1108 型数控镂铣机， 这 是内地开发的第一台高精度，高水平的数控镂铣机。1996 年常州佳纳机电有限公司，研制 木工加工中心悬臂力学分析 3 了 MXK2513H 重型加工中心，其特点是悬臂式结构、单主轴、三坐标。2005 年山东工友 集团开发了 MXK5826 型数控加工中心，其结构特点是龙门式单主轴。 2006 年上海跃通 木工机械设备有限公司开发了悬臂式 MXK1224VA 数控加工中心 。青岛欣大荣数控机器 有限公司开发了 DRX-3000sup 型悬臂式数控雕刻机，其主轴转速最高可达到 24000rpm。 还有 DRX-2412-5Asix 高速五轴联动加工中心、DRX-2412pro和 DRX-2412E龙门式数控 雕刻机等等4。这些产品的开发和研究为我国的木工机械水平的提高，特别是数控加工技术 的发展开辟了一条不断创新的路。 木工机械与家具行业唇齿相依, 木工机械发展离不开家具业的发展, 家具业的发展同样 离不开木工机械的发展。 如今中国的家具产量和出口量已超过美国, 意大利等欧美家具大国, 成为世界第一5。 在目前的状况来看，在我国除了台湾省外，木工机械比较发达的地区属于广东、浙江和 四川等地。而在广东，由于是我国改革开放的先驱地，也是与国外接触最多，进出口最频繁 的地区， 所以广东的木工机械行业一直走在全国的前列。 广东木工机械的布局是以顺德伦教 镇为中心二向四周延伸的格局。 整个伦教镇的木工机械生产就占全广东的。 伦教国际木工机 械城已成为广东木工机械的典型代表4。 目前，在国内木工机械行业内走在前列的公司主要有极东机械（KDT） 、南兴等民营企 业以及金田.豪迈等合资企业。而这些企业此前一直是传统的木工机械，近年来也开始走数 控机械的路子，在数字控制方面取得一些成就。 在数控木工加工中心的开发与研究中，这些企业都是以保守的龙门式为主。而金田.豪 迈因为有德国豪迈（HOMAG）的技术支持，所以走的更快更远。南兴也在近两年开发出了 悬臂式木工加工中心。 极东机械是国内木工机械行业的龙头企业， 特别是在封边机的研制上 技术是很成熟的，但是在加工中心的研发方面是比较落后的，才刚刚起步，所以一些技术并 不是很成熟。 本课题便是在极东机械（KDT）的支持下开展的，目的是能够对悬臂木工加工中心悬 臂梁进行力学分析，以便悬臂梁在设计过程中能更好的满足需要。 1.3 单臂木工加工中心单臂木工加工中心介绍介绍 1.3.1 机械结构机械结构 本课题研究的是单臂木工中心， 是简单的三轴加工中心， 其机械结构总体分来比较简单， 木工加工中心悬臂力学分析 4 其主要部件包括主轴系统、悬臂梁、立柱、床身、导轨，刀库等，其外形如下图所示： 其中，立柱与床身之间有滑动导轨联接，立柱上安装有伺服电机，控制立柱在导轨上的 前进与后退或者控制床面在立柱与底座间的运动(本课题选择后者即立柱固定床面运动)；伺 服电机与床身之间用斜齿轮齿条联接，将伺服电机的旋转运动转化成立柱(床面)的直线运 动。同样，主轴系统与悬臂梁之间也是通过伺服电机驱动，斜齿轮齿条转化，实现主轴系统 可以通过导轨在悬臂梁上左右运动的。 主轴系统也是与主轴之间通过滑轨滑块联接， 而在主 轴系统中，又外加悬挂两根轴，一个是气排钻旋转轴，用于气排钻钻孔，另一个是主轴， 用 于铣削加工木板， 主轴上悬挂刀具； 主轴的升降是通过伺服电机联接滚珠丝杆实现主轴的上 下移动；另外，在主轴箱上加装气缸，辅助伺服电机控制主轴上下移动。 图图 1.11.1单臂木工加工中心单臂木工加工中心（示意图）（示意图） Fig. 1.1SingleArm Woodworking Machining Centers (map) 由图 1.1 我们可以清楚的看到，悬臂梁是单臂木工加工中心的一个重要部件，且主轴系 统就是通过丝杆和滑动导轨在其上进行 Y 轴向移动，其动态性能的好坏直接影响加工精 度。 木工加工中心悬臂力学分析 5 1.3.2 运动方式介绍运动方式介绍 本课题研究的是 3 轴单臂木工加工中心，运动轴由 X 轴，Y 轴，Z 轴组成，其中，X 轴 为床身导轨，Y 轴为悬臂梁，Z 轴为主轴系统。 1）X 轴的运动 如图 1.2，在加工中心运动过程中，x 轴的运动由安装在立柱上的伺服电机接收运动信 号，伺服电机旋转，伺服电机与底座采用斜齿轮齿条联接，将伺服电机的旋转运动转化成 X 轴的直线运动，实现 X 轴的前进与后退。 2）Y 轴的运动 如图 1.3，Y 轴的运动方式与 X 轴的运动方式一样，也是通过安装在主轴箱上的伺服电 机联接斜齿轮齿条，将旋转运动转化成 Y 轴方向上的直线运动的。 图图 1.21.2X X 轴运动轴运动 Fig. 1.2X axis movement 图图 1.1.3 3Y Y 轴的运动轴的运动图图 1.1.4 4Z Z 轴的运动轴的运动 Fig.1.3Y axis movementFig.1.4Z axis movement 木工加工中心悬臂力学分析 6 3）Z 轴的运动 如图 1.4，Z 轴的运动方式与 X、Y 轴的运动方式有一定的区别，Z 轴除了上下移动定 位之外，还需要进行旋转运动，实现铣削功能。Z 轴的上下移动是通过伺服电机联接滚珠丝 杆实现的，而其旋转运动是直接通过主轴伺服电机驱动。 1.4 主要研究内容主要研究内容 本课题主要研究的是广州弘亚数控股份有限公司（极东机械，KDT）的某一木工加工 中心产品， 此产品在设计之初仅是凭借经验值设计各个结构的参数， 虽然加工中心可以满足 工件的加工要求， 但是其各部分结构并没有进行全面的力学理论分析， 有可能尺寸偏大或者 受力不足，因此也需要对其部件进行计算机辅助分析，以得到全面可靠地数据信息。本文以 单臂加工中心的主要承重部件-悬臂梁为研究对象，利用Ansys有限元分析软件，进行了悬 臂梁应力、变形等静力学相关分析，并提出了悬臂梁结构优化建议。具体研究内容如下： 1.根据目前设计悬臂梁的尺寸，利用 Solidedge 建立目前设计的悬臂梁的三维实体模型 并导入有限元分析软件 AnsysWorkbench，建立悬臂梁的有限元模型，为后续的有限元分析 及优化做好准备。 2.定义悬臂梁的材料属性，受力情况及边界条件等对其进行有限元静力分析，得到模型 的应力及应变情况， 分析横梁的受力及变形状况， 为优化悬臂梁结构及优化结果的验证提供 依据。 3.根据分析结果，对悬臂梁结构进行适当改变后，再进行同样的受力分析，尽量得到满 足条件的最优设计方案。 4.对优化结果进行仿真验证，证明优化后悬臂梁结构的合理性，完成悬臂梁优化设计。 木工加工中心悬臂力学分析 7 第二章第二章 有限元分析理论有限元分析理论 2.1 有限元法基本理论有限元法基本理论 有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法， 是一种解决工程实际问题有力的数值计 算工具。 “有限元法”这一名称是1960年美国的CloughR W在一篇名为平面应力分析的有 限元法论文中首先使用的，其基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求 解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解,然 后推导求解这个域的满足条件,从而得到问题的解。这个解不是准确解,而是近似解,因为实际 问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度 高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。由于计算机的飞速发展， 使得有限元法在工程中得到了广泛应用6。 基于有限元对于一个模型或者实际问题进行分析， 大致可分为三个主要过程， 即有限元 建模、有限元求解、计算结果分析与整理7。而从程序结构上讲，有限元程序也与之相对应 的分为三个主要部分，即前处理、求解器和后处理，如下图2.1所示： 图图 2.12.1有限元分析步骤有限元分析步骤 Fig.2.1The finite element analysis steps 前处理主要完成几何模型的建立、确定材料参数和载荷、定义约束条件、网格划分等， 木工加工中心悬臂力学分析 8 最后按一定格式形成有限元分析所需要的有限元计算数据。 前处理完成的工作一般称为有限 元建模。在前处理中，可以用图形显示所建立的几何模型、单元网格、约束条件等，以便用 可视化的方法检查所建立的有限元模型。 几何模型可以在前处理中直接建立， 这是传统的建 模方法，也可以在 CAD 软件中先进行建模，然后经过一定的格式转换，再导入前处理中。 求解器是有限元程序的核心部分， 它主要完成有限元模型的力学计算， 即根据前处理形 成的有限元计算数据，计算单元刚度矩阵，计算节点载荷，组装整体刚度矩阵，将载荷等效 简化到节点上，形成总体有限元平衡方程，求解节点的位移，计算应力和应变以及内力等。 后处理可以根据计算者的要求对计算结果进行检查、分析、整理、打印输出等。进行有 限元求解时，求解器步骤的工作全部由计算机完成，所以对于有限元软件的使用者而言， 有 限元分析的工作量主要体现在前处理和后处理方面。 因此， 前处理和后处理功能的发展和提 高给有限元分析带来了很大方便，大大缩短了有限元分析的计算时间6-11。 2.2 有限元分析应用软件有限元分析应用软件 目前国际上主要应用的有限元分析程序主要有Ansys，NASTRAN，ASKA，ADINA， SAP 等。本课题采用Ansys有限元分析软件对单臂木工加工中心悬臂梁进行静力学分析。 2.3Ansys 应用软件简介应用软件简介 2.3.1Ansys 特点简介特点简介 Ansys应用程序是一个功能强大的设计分析及优化软件包。与其它有限元分析软件如 SAP或NASTRAN 等相比，它有以下特点6,12： 1.数据统一。Ansys使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处理、分 析求解及多场分析的数据统一。 2.强大的建模能力。Ansys具备三维建模能力，仅靠Ansys的GUI（图形界面）就可建立 各种复杂的几何模型。 3.强大的求解功能。Ansys提供了数种求解器，用户可以根据分析要求选择合适的求解 器。 4.智能网格划分。Ansys具有智能网格划分功能，根据模型的特点自动生成有限元网格。 2.3.2Ansys 功能界面简介功能界面简介 Ansys在12.0以上的版本中，增加了Workbench附加软件。Workbench的出现，给Ansys 木工加工中心悬臂力学分析 9 的推广与应用带来了机遇，因为Workbench的操作是界面是选择式而不是此前的命令式，这 给初学者带来了很大方便。 在Workbench操作中，基本应用到的是三个界面： 1.项目界面。在项目界面中，主要应用的是对分析模型进行材料的定义等功能。 图图 2.22.2AnsysworkbenchAnsysworkbench 项目界面项目界面 Fig.2.2Ansysworkbench Program Interface 2.造型界面。造型界面主要是进行建立模型的步骤，一些与建立模型相关的操作都在此 界面中完成。 另外， Workbench不仅能够自己建立模型， 还能与其他CAD软件进行信息交流， 可以将其他造型软件建立的模型导入而不改变其原有的形状，如：Solidworks，Solidedge， Pro/E,UG等。 图图 2.32.3AnsysworkbenchAnsysworkbench 造型界面造型界面 Fig.2.3Ansysworkbench Geometry Interface 木工加工中心悬臂力学分析 10 3.建模界面。在建模界面中，主要进行的是对建立或者导入好的模型进行网格的划分、 约束条件的添加、最后的求解以及相应云图的显示等功能。 图图 2.42.4AnsysworkbenchAnsysworkbench 建模界面建模界面 Fig.2.4Ansysworkbench Modeling Interface 2.4 静力分析静力分析 有限元静力分析，是计算在当作用于对象上的载荷固定不变或者变动极其微小的情况 下， 对象对载荷的响应。 静力分析主要从三个方面对对象进行有限元分析， 包括静力学分析、 几何学分析、物理学分析，这三个方面又分别需要材料力学、结构力学和弹性力学方面的理 论基础。对应于不同研究对象的不同结构，静力学分析又分为线性分析和非线性分析。9,10 本课题利用 AnsysWorkbench 有限元软件对单臂木工加工中心的悬臂梁进行有限元静力学 分析， 主要进行线性分析方面的研究。 根据仿真实验结果验证横梁初始结构设计的是否合理 性，并为后续的模型结构优化的可行性提供依据。6-11 2.5 小结小结 本章主要介绍了本课题所研究悬臂梁静力学分析的主要理论： 有限元分析。 根据实际情 况，选取了有限元分析所需要的软件Ansysworkbench，简要介绍了软件的功能。最后，列出 了本课题所要研究主要内容：静力学分析。 木工加工中心悬臂力学分析 11 第三章第三章 单臂木工加工中心悬臂梁的三维单臂木工加工中心悬臂梁的三维 CAD 建模建模 悬臂梁是本课题所研究单臂木工加工中心的及其重要的承重部件， 悬臂梁的强度和刚度 直接影响着磨床的加工精度。单臂木工加工中心的最初设计者在设计机床的各个结构参数 时，根据以往的设计经验，确定各参数的具体数值。这种设计方法往往造成机床的结构尺寸 并不是很准确， 有可能偏大也有可能稍微偏小。 偏小会造成悬臂梁强度与刚度达不到加工精 度要求，偏大造成材料不必要的浪费，提高制造成本，另外也会造成重量过大运输与安装过 程更加困难。 本章对单臂木工加工中心悬臂梁进行原有设计尺寸三维 CAD 建模，为后续的有限元 分析做准备。 3.1 三维三维 CAD 建模的概念与特点建模的概念与特点 计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)是一门从上世纪后半段开始出现并发展 起来的将计算机应用和工程设计有机结合起来的综合性应用科学。 传统的工程设计需要设计 者首先依据以往设计经验等形成自己的设计思路，然后将具体设计方案等手工绘制成图纸， 进而进行生产8。 计算机辅助设 计的工作过程大致 是：进行功能设 计，选择合适的科 学 原 理 或 构 造 原 理；进行产品结 构的初步设计，产 品的造型和外观的 初步设计；从总 图派生出零件，对 零件的造型、尺寸、图图3.13.1 计算机辅助设计过程计算机辅助设计过程 色彩等进行详细设计，Fig.3.1 ComputerAided Design Process 对零件进行有 限元分析， 使结构及尺寸与应力相适应； 对零件进行加工模拟， 如注塑 （对 木工加工中心悬臂力学分析 12 塑料制品） 、压铸（对金属件） 、锻压或机械加工等过程进行模拟，从模拟过程中发现制造中 的问题，进而提出对零件设计的修改方案；对产品实施运动模拟或功能模拟，对其性能做 出评价、分析和优化，最终完成零件的结构设计。其设计工作过程如图3-1所示。 计算机辅助设计有如下主要特点8,10-13： 1提高设计效率。减小工作人员的工作量和劳动强度，结构设计和工程制图的速度大 大提高。尤其对复杂零件的设计可以无级缩放、分级设计、缩短设计周期、加速产品的更新 换代、增强产品的市场竞争力。 2提高设计质量。利用 CAD 软件提供的优化技术和设计计算功能，有限元分析及装 配运动仿真技术，可以减少人为的设计误差，提高设计质量和产品的可靠性。 3利于成组设计。可以广泛采用通用件、标准件及标准设计流程。 4修改设计方便。只需在现有图纸进行局部修改，在某些先进的辅助设计系统中，修 改了装配图则零件图随之自动修改，反之亦然。 5设计与分析统一。计算机本身拥有描述产品模型的数据库，通过对产品分析，设计 者可以了解产品的性能。 6容易实现产品数据的标准化。产品数据的标准化易于产品的研发设计，容易对产品 进行模块化应用，方便产品的管理。 7易于实现网络的协同设计。设计人员可以借助 Internet 在不同地点、不同部门协同 设计同一个产品。 3.2 三维三维 CAD 建模软件介绍建模软件介绍 目前公司企业以及教学应用比较广泛的三维建模软件有Solidworks，Solidedge，Pro/E， UG等，这些软件的三维建模功能都比较强大，建模效果都很逼真。由于笔者在大学期间学 习的三维建模软件即是Solidedge，因此，在本课题的研究中，三维CAD建模软件选用 Solidedge。 Solidedge三维建模软件的功能也是比较强大的， 而且在操作过程中也比较方便。 它的出 现为很多的设计提高了效率。其基本功能大致包括： （1）实体建模 （2）装配设计 （3） 工 程图 （4）钣金设计 （5）简单力学分析功能14。 木工加工中心悬臂力学分析 13 3.3 悬臂梁三维悬臂梁三维 CAD 建模建模 3.3.1 建模的参数依据建模的参数依据 本课题所研究的木工加工中心实体是广州弘亚数控机械股份有限公司下的某一型号加 工中心，建模所依据的设计参数也为该公司提供。其具体二维参数如图3.2所示： 图图 3.23.2 悬臂梁原始设计参数悬臂梁原始设计参数 Fig. 3.2Cantilever Beam Original Design Parameters 3.3.2 建模结果建模结果 根据以上尺寸,通过Solidedge三维造型,得到实际造型.如下图所示，是严格按照图纸尺寸 进行,建立的模型。 图图 3.33.3 悬臂梁实际模型悬臂梁实际模型 Fig. 3.3Actual Cantilever Beam Model 木工加工中心悬臂力学分析 14 3.3.3 模型简化模型简化 通过Solidedge建立起来的模型不能直接导入Ansysworkbench内进行分析， 因为此时的模 型结构比较复杂，需要再进一步的进行适当的模型简化。如果直接导入该模型图，也能得到 分析的结果，但是这样，模型中的倒角、小孔等对模型受力和变形影响不大的结构，会对网 格划分复杂化， 导致网格划分不好， 进步会对后面的结果分析造成一定的不必要的复杂化影 响4。因此，为了结果的简单明了易分析并且不影响实际受力变形，需要对模型再进一步适 当的简化。简化步骤如下: 1、去掉螺钉孔； 2、去掉方孔； 3、去掉凸台； 4、去掉倒角倒圆等不影响受力的结构。 a-1)未简化的倒圆a-2)倒圆简化后 b-1)螺纹孔与方孔b-2)螺纹孔与方孔简化后 木工加工中心悬臂力学分析 15 c-1)台阶c-2)台阶简化后 d-1)定位孔d-2)定位孔简化后 图图 3.43.4 模型简化对比图模型简化对比图 Fig.3.4Model Simplified Comparison Chart 图图 3.53.5 原有设计尺寸建模图原有设计尺寸建模图 Fig.3.5 The Original Dimension Modeling Design 木工加工中心悬臂力学分析 16 图图 3.63.6 简化后的模型全图简化后的模型全图 Fig.3.6Simplified Model Map 3.4 小结小结 本章介绍了三维CAD建模的概念及其特点，并选取了本课题所需要的三维建模软件 Solidedge，简要介绍了该软件的功能。最后，通过应用该软件成功的建立了本课题所研究对 象的三维模型， 并根据研究需要对其进行了必要的简化， 为下一步的有限元分析奠定了基础。 木工加工中心悬臂力学分析 17 第四章第四章 单臂木工加工中心悬臂梁的有限元静力学分析单臂木工加工中心悬臂梁的有限元静力学分析 悬臂梁的有限元静力分析， 是计算在当作用于悬臂梁上的载荷固定不变或者变动极其微 小的情况下，对象对载荷的响应。静力分析主要从三个方面对悬臂梁进行有限元分析，包括 静力学分析、几何学分析、物理学分析，这三个方面又分别需要材料力学、结构力学和弹性 力学方面的理论基础。 对应于不同研究对象的不同结构， 静力学分析又分为线性分析和非线 性分析。本章利用Ansysworkbench 14.0 有限元软件对单臂木工加工中心悬臂梁进行有限元 静力学分析， 主要进行线性分析方面的研究。 根据仿真实验结果检验悬臂梁初始结构是否合 理，并为后续的模型结构优化的可行性提供依据。 4.1 工况分析工况分析 在对悬臂梁进行静力分析时，主要考虑是悬臂梁所受的静力情况。通过分析可知，载荷 情况主要包括重力载荷以及切削工件时的刀具切削反力， 其中重力主要包括刀具主轴及其附 加零件的重力。而且，在加工中心工作过程中，刀具主轴是能上下左右前后即能在X轴、Y 轴、Z轴上自由移动的，但是木工加工中心的移动速度并不是很高，其最快移动速度才分别 为70m/min、50m/min、18m/min，因此，可以将悬臂梁所受刀具主轴及其附加零件的重力当 做受静力来进行分析。 另外，因为在切削工件时，切削反力也应当是向上与重力的作用方向是相反的，因此切 削反力对悬臂梁的变形与受力是一个减小的过程，因此在分析悬臂梁最大变形与受力时， 可 以只分析只有刀具主轴等重力的作用情况，此时是悬臂梁受力最大的时候。 根据公司设计要求及选用的标准件的重量，加载在悬臂梁上的重量大约为88Kg，其中 包括刀具主轴及其所有的附加零件的重量。根据理论力学及材料力学相关理论可以知道， 当 载荷加载在悬臂端部时变形与应力均为最大15。为了验证此理论，除了认定的最危险工况 外，另外设定以下五种工况进行验证。各工况工作参数如下表4.1所示： 表表 4.14.1 各工况参数表各工况参数表 Table 4.1Working Condition of The Parameter List 工况工况 1工况 2工况 3工况 4工况 5 载荷（N)880880880880880 距悬臂梁左端部距离（m)0.450.751.051.351.65 木工加工中心悬臂力学分析 18 4.2 对悬臂梁的有限元建模对悬臂梁的有限元建模 根据AnsysWorkbench的功能，对结构的有限元分析建模可以直接从别的建模软件中改 变文件格式后（本文采用在Solidedge中直接将模型文件另存为*.x_t格式后，直接用Ansys打 开）直接导入。在前阶段，我们已经应用Solidedge三维建模软件将我们所需要的三维模型建 立完毕，并做了适当简化。在这里，我们只要直接导入模型即可。具体操作步骤如下： 1.打开AnsysWorkbench软件,双击static structural选项，出现是Static Strutural项目界面(如 左下图） ； a)造型界面b）导入模型 图图 4.14.1 导入模型操作界面导入模型操作界面 Fig.4.1Import Model Interface 2.双击Geometry，进入造型界面，在file 栏目中选择import external geometry file，选择 相应的文件导入，再单击Generate，即完成模型的导入，关闭造型界面。 图图 4.24.2 造型造型 Fig.4.2 Modelling 木工加工中心悬臂力学分析 19 4.3 模型材料属性的确定模型材料属性的确定 根据研究对象实体的材料，确定模型的材料为Q235。在Ansysworkbench中，在项目界 面中对模型进行材料定义。 表表 4.24.2 Q235Q235 材料的基本属性材料的基本属性 Table 4.2The BasicAttributes of Q235 Material 材料名称密度（Kg/m） 弹性模量（GPa)泊松比屈服强度（MPa) Q23578602080.277235 注：在 Ansys中设置模型材料属性时，只能选择整个悬臂梁都应用的是Q235这种材料。这 里的选择是基于几个假设的，即悬臂梁中的任一单元是均匀的、连续的，且在各个方向具有 相同的物理性质。 4.4 模型网格划分模型网格划分 点击进入建模界面。在AnsysWorkbench中，网格的划分一般都是运用其自动划分网格 的功能， 基本上不对其划分网格的结果进行更改即能满足有限元分析的要求。 这也是该软件 操作的方便之处。由图可知，自动网格划分后，共有节点（Nodes)15353个，网格单元 (Elements)8055个。 图图 4.34.3 网格划分网格划分 Figure 4.3 Meshing 4.5 约束与载荷的定义约束与载荷的定义 同样在建模界面中， 对所需求解的模型添加简化后的约束与载荷。 在本模型中， 简化后， 木工加工中心悬臂力学分析 20 即可将悬臂梁底座截面看做是固定端，而载荷施加在悬臂梁顶端界面上。 根据本例中加工中心的设计尺寸与运动要求，悬臂梁的实际工作宽度为1500mm即刀具 主轴在悬臂梁上的移动宽度为1500mm。根据理论静力学及材料力学相关理论认定，在当刀 具主轴移动到离立柱最远的部位时，应力最强、变形最大。但是根据设计尺寸及模型简化， 在刀具主轴移动过程中， 不会将刀具主轴移动到离立柱最远端即最左端面， 而会留出以段安 全距离，此处模型简化安全距离为150mm。在AnsysWorkbench中加载效果如图4.4所示： a）固定端约束b）静力载荷 图图 4.44.4 约束与载荷约束与载荷 Figure 4.4 Constraint and Load 4.6 求解求解 在加载完成之后，在操作界面中，点击solve，求解最后应力及