（机械制造及其自动化专业论文）基于有限元的车床床身结构优化.pdf

人连理一i ：大学硕士学位论文 摘要 普通车床的设计大多沿用了以往的设计思想，机床设计的理论依据不足。在整个机 床的各个组成部分中，机床床身是一个很重要的大件。目前对普通车床床身的设计缺乏 有效的理论依据，床身的结构设计不尽合理。而c 6 1 4 0 车床是普通车床中的主流型号之 一，因此对该车床的床身进行优化设计有重要的实际价值。 本文依据图纸在三维建模软件p r o e 中，利用零件造型模块建立床身的三维模型。 利用有限元分析软件a n s y s 将模型导入进来，建立有限元模型。然后对床身进行受力 分析。床身的受力来源于床鞍、床头、床腿。经过对三者的受力分析，建立起床身的力 学模型。分别利用有限元分析软件a n s y s 和p r 0 甩中的m e c h a i l i c a 分析模块，对 c d 6 1 4 0 车床床身进行了有限元结构分析和模态分析。 本文采用科学计算和实际经验相结合的方法。类比同类车床床身的结构，并依据有 限元分析的数据，对该床身结构进行优化。针对c d 6 1 4 0 车床床身提出了三个原始减重 方案。依据床身的铸造工艺、车床的实际工作状况、刚度和固有频率等论证每个减重方 案的可行性。依据三个原始减重方案修改床身结构并分别对床身进行有限元分析，采取 第三个原始减重方案为初步方案。在此基础上又提出更加合理的结构优化设计要求；对 床身的肋板结构重新设计，并进行拓扑优化。经过反复的结构优化设计得到床身肋板的 合理结构。综合考虑车床的工况指标以及制造成本、铸造工艺等因素，在不降低车床性 能的基础上得到了床身的结构优化设计方案。 通过对c d 6 1 4 0 车床床身的有限元分析和结构优化，减轻了车床床身的重量，节省了 工程材料，床身的刚度和固有频率等指标也得到了不同程度的提高，为同类型机床的设 计生产提供了更多的理论依据。 关键词：车床床身； 刚度； 有限元分析： 结构优化 基丁有限元的车床床身结构优化 t h es t m c t u r a l0 p t i m i z a t i o no fl a t h e - b e db a s e do nf i n “ee 1 e m e n t a b s t r a c t m o s t 甜d i n a r yl a t h ed e s i g nf o l l o w st h eu s u a ld e s i g nc o n c e p t ，m a c h i n et 0 0 1d e s i g nl a c k s r a t i o n a lb a s i s i nt h ev a r i o u sc o m p o n e n t so fm a c h i n et 0 0 1 s ，m a c h i n et o o lb e di sav e r y i m p o r t a j l tb i gp a n n o wl a t h eb e dl a c k se 胁c t i v ed e s i g no fr a t i o n a l b a s i s ；s t l w t u r a ld e s i 印 b e dj sn o te n o u g hr e a s o n a b l e a n dc d 61 4 0l a t h ei so n eo ft 1 1 em a i n s t r e a n ll a t l l e si nt h e g e n e r a l l a t h e ，o p t i m i z i n gd e s i g nf o rt l l i st y p eo fl a t h eb e di se x t i m e l yi m p o r t a j l to fp r a c t i c a l v a l u e t h i sp a p e rb u i j d st l l et 1 1 r e ed e g r e em o d c l b 嬲e do n 蝴g p 印e ro f 廿l i s1 a t h e _ b e d ，u s i n g t h es o l i db u i l d i n gm o d u l a rc o m p o n e n ti np r o e m o d e l i si n v o l v e dt of i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o r 毗眦，e s t a b l i s h i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e l t h e n 、v ed os t r e n g t l la n a l y s i so fl a t h e - b e d t h e b e di sa f f b c t c db yt l l ep o w c rf 而mb e ds a d d l e ，h e a da n db e d1 e g s t l l r o u 曲s t r e n 百ha j l a l y s i s ， w eb u j l dm c c h a f l i cm o d e lo f1 a t l l eb e d u t z i n gt h ef i n i t ee k m e n ta r l a l y s i ss o 矗w a r e m e c h a l l i c ao f p r 0 ，ea 1 1 da n s y s ，w ed oa i l a l y s i sf o rc d 6 1 4 0l a t l l eb e d ，i n c l u d i n gs 仃u c t l l r a l 矗n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dm o d e lp a t t e ma n a l y s i s t h i sp a p e ru s e sac o m b i n a t i o no fp r a c t i c a le x p e r i e n c ea r l ds c i e m i f i cc a l c u l a t i o nm e t h o d w ea n a i o g ys i m i l a ri a t h e - b e ds t r u c t u r e ，a n dd os t n l c t i l r a io p t i m i z a t i o na n “y s i sb a s e do n a n a l y s i sd a 协w ep r e s e n tt l l r e ep l a l l s0 nr e d u c i n gw e i 曲to f c d 6 1 4 01 a t h eb e d b a s e do nt l l e c a s t i n gp r o c e s so fb e d ，t t l ea c t l l a l1 a t h ew o r kc o n d i t i o n ，s t i f r 卸di n h e r e n tf k q u e n c y ，、v e d i s c u s sf e a s i b i l i t yo fe a c hp l a l l b a s e do ne a c hp l a nw ec l a i l g et h es t n l c t u r eo f1 a t h eb e d a n d d on n i t ee l e m e n ta n a l y s i s w ed e c i d et ot a l ( et 1 1 i r d 嘶g i n a jp l a n b a s e do nt h i sp l a l lw e p r e s e n tam o r er a t i o n a ls t m c t u r a lo p t i m i z a t i o nd e s i g n w er e d e s i g nb o a r do fl a t h eb e da n dd o o r d e ro p t i m i z 砒i o n a f t e ras e r i e so fd e s i g n ，w eg e tr e a s o n a b l es t n l c t u r eo fb e db o a r d s c o n s i d e r i n gw o r kc o r l d i t i o no fl a ma i l dm a n u f a c t u r i n gc o s t ，p r o d u c t i o nt c c h n i q u ea n do t h e r f a c t o r s ，w eg e tt 1 1 e s t m c t l l r a l o p t i m i z a t i o n d e s i g np l a n o fl a t h eb e d 谢m o u tr e d u c i n g p e r f b r n l a n c eo f l a t h cb e d t h m u 曲6 n i t ee l e m e n ta n a i y s i sa 1 1 ds t m c t u r a lo 砸m i z a t i o nd e s i g no fc d 6 1 4 01 a m eb e d ， t h ew e 远h to ft h el a t h eb e di sr e d u c e d ；a n dt 1 1 j ss a v e se n 百n e e n gm a l e r i a l t h eb e ds t i l 下a f l d i n h e r e n tf e q u e n c yo fi n d i c a t o r sh a v eb e e nv a r y i n gd e g r e ei m p r o 、r e d t h i sp r 0 v i d e sm o r e t h e o r e t i c a lb a s i so nt h ed e s i g nf o rt h i st y p em a c h i n et o o l s k e yw o r d s ：l a t h e 山e d ； s t i f t ； f i n i t ee l e m e ta n a i y s i s ； o p t i m i z a t i o nd e s i g n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他入已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 桶誊竞 ；晕始碡 堡堕年 月二生日 大连理 j 火学硕七学位论文 引言 在机床设备中，有个很重要的部分是大件结构。在整个机床的各个组成部分中，机 床床身等支承件的重量要占车床总重量的2 0 3 0 ，是一个很重要的大件。床身这种 大件结构的材料和制造工艺费用在设计中必须加以考虑。 目前对普通车床床身的设计缺乏有效的理论依据，许多厂家靠类比进行定性的设 计，这显然是难以满足要求的。床身的设计不尽合理，结构设计上存在不少缺陷。此外， 机床结构件的设计，对保证静、动态加工精度有着非常重要的意义。床身作为一个结构 大件，在整个机床中的作用是很重要的。 另外这些车床的需求量仍然是比较高的，在实际生产中起着重要作用。针对这些因 素，有必要进行以减重为目的的床身结构优化。而c d 6 1 4 0 车床是普通车床中的主流车 床之一，因此对该型号车床的床身进行优化设计有重要的实际意义。 基于有限元的车床床身结构优化 1 第一章绪论 1 1 国内外的研究现状 1 1 1 国内的研究现状 目前国内在机床结构优化领域的研究比较活跃，机床结构优化设计的内容十分丰富， 涉及内容很多，包括静力学，结构非线性分析，拓扑优化，模态分析，动力学分析等。目 前有限元方法在机床结构设计中的应用主要有以下几个方面： ( 1 ) 静力学分析。这是对二维或者三维机床零件承载后的应力和应变的分析，是有限 元在机床设计中最基本、最常用的分析类型。 ( 2 ) 模态分析。这是动力学分析的一种，用于研究结构的固有频率和各振型等振动特 性。进行这种分析时所旌加的载荷只能是位移载荷和预应力载荷 ( 3 ) 谐响应分析和瞬态动力学分析。这两类分析也属于动力学分析，用于研究机床对 周期载荷和非周期载荷的动态响应。 ( 4 ) 热应力分析。用于研究结构内部温度的分布，以及及机床内部的热应力。 ( 5 ) 接触分析。用于分析两个结构件接触时的接触面状态和法向力。 国内的机床结构优化设计主要是应用在刚度和强度分析方面。广西大学陈文锋、毛 汉领“m x b s 1 3 2 0 型高速外圆磨床动态性能的试验研究” 1 1 一文中，对m x b s 1 3 2 0 型高速外圆磨床的动态性能使用脉冲激振法进行了试验研究，得到磨床前几阶模态的频 率和振型图，寻找出机床振动的薄弱环节和主要振源，并提出一些机床改造的措施。 对主要零部件进行有限元分析，优化零部件结构的设计。东南大学和无锡机床股份 有限公司对内圆圆磨床m 2 1 2 0 a 床身结构进行有限元分析 2 】，得到床身前几阶的固有频 率和振型，分析床身的内部筋板布置对结构动态特性的影响。张海伟，利用动态实验分 析和理论模型分析两种方法对卧式加工中心的动态性能进行了分析 3 】，通过实验测试数 据与理论计算结果对比分析，验证了理论模型的合理性，找出了机床的薄弱环节，并进行 了结构优化。优化后分析结果证明机床结构的最大变形值都相应降低。陈庆堂，运用工 程软件a n s y s 的优化设计模块，根据主轴箱的实际工况及机床零件加工精度要求在参 数化建模及结构应力分析基础上 对x k 7 1 3 数控铣床轴箱结构以减轻重量为目标进行优 化设计【4 】。通过优化设计及分析，主轴箱结构重量减轻了2 3 2 三个方向上刚度和应力 得到了合理的分布。 东南大学机械工程系，利用有限元法对机床床身进行静、动态分析并使用渐进结构 优化算法对床身结构进行基于基频约束和刚度约束的拓扑优化，为e s o 方法在机床大 2 犬连理】：人学硕十学位论文 件结构拓扑优化中的应用做了有益的尝试。王艳辉、伍建国等人，在“精密机床床身结 构参数的优化设计” 5 一文中，在确定精密机床床身合理结构的基础上，利用a n s y s 有限元软件提供的a p d l 参数化设计语言和优化设计方法，以床身的肋板布置和肋板厚 度为设计参数，对床身进行结构设计参数的优化，确定了床身结构的合理参数。不仅大 大提高了床身的动念性能，而且节省了材料，降低了生产成本。 1 12 国外的研究现状 国外的机床结构优化领域的研究比较多，在结构优化、有限元分析、参数化设计方 面都有不少研究。美国机械工程师学会的“o p t i 眦is y f l t h e s f so fc o m p “a tm e c h a i i i s m s u s i n gs u b d i v i s i o na n dc o m m e r c i a lf e a ”【6 卜。文中，利用有限元软件分析机械结构，提出 全程参数化设计，并对其进行拓扑优化，全面分析了设计变量在优化程序中的变数。国 外机床结构优化设计存在以下特点： ( 1 ) 设计与分析平行。从以满足一定性能要求为目标的结构选型、结构设计，到具体 设计方案的比较及确定、设计方案的模拟试验等。床身结构设计的各个阶段均有 结构分析的参与。床身结构分析贯穿了整个设计过程，这样确定的床身结构设计 方案，基本就是定型方案。 ( 2 ) 结构优化的思想被用于设计的各个阶段。 ( 3 ) 大量的虚拟试验代替实物试验。虚拟试验不仅可以在没有实物的条件下进行，而 且实旌迅速、信息量大。手u 用虚拟试验，一方面可以在多个设计方案中选择最优， 减少设计的盲目性，另一方面可以及早发现在设计中的问题。从而减少设计成本， 缩短设计周期。 随着工业的发展，对车床的要求越来越高。在车床的设计中，需要对其组成部件进 行严密的分析与计算。车床床身等支承件的重量要占车床总重量的2 0 3 0 ，因此对 支承件的单位重量刚度提出较高的要求。在重量轻的条件下，需保证支承件具有足够的 静刚度，所以对支承件材料的分布、支承件壁厚和开孔位置的合理性提出了要求，有必 要进行分析计算。 2 0 世纪6 0 年代后期，随着计算机技术的发展，有限元方法开始逐步应用于工程实 践。有限元方法作为一种数值计算方法，它具有很多突出的优点，并在此基础上出现了 大量的c a e 软件( 如美国a n s y s 公司研制的大型通用有限元分析软件；m s c 的 m s c n a s t r a n 和m s c p a t f a n 等) ，从雨实现了计算机技术和有限元理论的结合，大大 提高了机床结构设计的效率和质量。当前，采用有限元方法，建立机床结构的静、动力 学模型已经成为机床理论建模普遍采用的方法。 基丁二有限元的车床床身结构优化 1 2 有限元方法的实际应用 有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工 程分析计算问题的有效途径。在车床的设计中，利用有限元方法对其组成部件进行严密 的分析和计算，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决 很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。 湖南大学的贺兵等人在“基于a n s y s 的超高速平面磨床结构优化设计” 7 】一文 中指出，提高机床零部件的第一固有频率是提高机床刚性，避免共振，降低振幅的有效 措施，用有限元方法对超高速平面磨床的床身和立柱及其改进结构进行模态分析能够得 到提高第一阶固有频率的各种结构，不同结构对提高第一固有频率的影响都不同。对立 柱而言，( 1 ) 加翼特别是加箱翼，两条三角形翼可提高第一固有频率，并且随着翼的 尺寸的增加，固有频率随之增加。( 2 ) 增加水平筋板的数目和减小窗口，对提高固有 频率的影响不大。就床身而言，( 1 ) 随开窗数目，尺寸的增加，第一固有频率随之降 低。( 2 ) 全封闭部分横向筋板清砂口可大大提高第固有频率，而调懿筋板的数目不 能很好的达到目的。 利用有限元方法可以分析出形状相同，壁厚不同的车床床身模型受力后的变形情 况，并可分析开孔位置和壁厚对刚度的影响。山东科技大学神会存等在“车床床身结构 的合理化设计”【8 】利用有限元方法计算了1 0 种形状相同，壁厚不同的车床床身模型受 力后的变形情况，并分析了开孔位置和壁厚对刚度的影响，并得出如下结论，如果床身 并非很细长时，剪切力的影响不能忽略，窗孔应开在弯曲平面垂直的平面上，这样开孔 对床身的刚度影响最小。设计床身时，水平方向的刚度是很重要的，为提高水平方向的 刚度，应加厚上、下腹板，但有一定的限度，般应使上、下腹板厚度为侧板厚度的1 5 2 o 倍为宜。 有限元方法已广泛应用于机床结构件分析和设计，但它在有些方面并不是很完美。 北京工业大学的谷祖强等在“机床结构中优化设计的应用研究”【9 】一文中表明，当设计 变量很多时，所需的有限元分析的次数相当多，对于较大的复杂机构体，作一次有限元 静态分析的c p u 时间需要数小时，有时因时间太长难以继续进行。 1 3 结构优化设计方法 优化设计是新兴发展起来的一门科学，也是一项新的技术，在工程设计的各个领域 得到了广泛的应用。“最优化”是每一个工程产品设计者所追求的目标。任何一项工程 或一个产品的设计，都需要根据设计要求，合理选择方案，确定各种参数，以期达到最 佳的设计目标，如重量轻、材料省、成本低、性能好、承载能力高等等。优化设计正是 4 大连理 ：大学硕士学位论文 根据这样的客观需求而产生并发展起来的。实际应用表明，优化设计不仅为工程设计提 供了一种科学设计方法，使得在解决复杂设计问题时，能从众多的设计方案中找到尽可 能完善的或最合适的设计方案，而且采用这种设计方法能大大提高设计效率和设计质 量，具有明显的经济效益和社会效益。 1 4 结构优化与有限元相结合的研究方法 有限元方法虽已广泛应用于机床结构件分析和设计，但它在有些方面并不是很完 美，最优化技术的发展，为结构件的最佳设计创造了条件。但是，进入优化设计的先决 条件是：首先要作一定量的有限元分析，才能构造最初的近似函数。一个优化问题必须 要有一个数学模型加以描述，这种描述必须能够把该问题的基本目标及其所受的各种限 制和约束列举清楚，表示明确，在各种设计变量和各种参数之间必须保持应有的、严格 的逻辑结构和协调关系，否则是无法通过计算，特别是电子计算机运算而得出正确结果 的。 1 5 本课题的意义 随着工业的发展，对车床的要求越来越高。在车床的设计中，需要对其组成部件进 行严密的分析与计算。车床床身等支承件的重量要占车床总重量的2 0 3 0 ，因此对 支承件的单位重量刚度提出较高的要求。在重量轻的条件下，需保证支承件具有足够的 静剐度，所以对支承件材料的分布、支承件壁厚和开孔位置的合理性提出了要求，有必 要进行分析计算。针对这些因素，有必要进行以减重为目的的床身结构优化。而c d 6 1 4 0 车床是普通车床中的主流车床之，因此对该型号车床的床身进行优化设计有重要的实 际意义。 1 6 本课题采用的研究方法 综合现有的结构优化设计研究方法，可以看出有限元方法是计算床身等机床结构件 各项动静态指标的重要方法，任何优化方法都最终要靠有限元计算去验证。 拓扑优化方法解决平面结构优化问题已经相当成熟。通过初步分析床身的综合受力 情况发现，床身受力主要分解为平行于坐标平面的若干力，而床身主体中大部分采用板 与加强肋结构。针对这一情况可以将床身分解为若干个板、加强肋与平面力系的组合， 应用成熟的平面拓扑优化方法进行分析，最终指导整体结构的改进。 结构系统设计灵敏度分析，是解决结构优化设计的新兴方法，它依托于有限元计算 和多参数、多约束、单目标优化。该方法比较依赖于计算机的性能，这里将通过建立不 同的单参数灵敏度分析，分别计算各参数对床身性能的影响，进而缩小最优解所在的区 基于有限元的车床床身结构优化 域，最终寻得最优解。拟定选取的参数包括板厚度、加强肋截面形状、加强肋倾斜角度 等。 本文采用科学计算和实际经验相结合的方法。类比同类车床床身的结构，并依据有 限元分析的数据，对该床身结构进行优化。 针对c d 6 1 4 0 床身的具体特征制定了如下具体解决步骤： ( 1 ) 首先在p r o e 中建立c d 6 1 4 0 床身实体模型，熟悉床身零件以及与其相接触的 各零件的结构形式。 ( 2 ) 对c d 6 1 4 0 床身进行受力分析，建立计算模型。主要分析床鞍、床头、床腿 与床身之间的作用力。通过制造与验收技术要求计算各点力的大小和方向。 ( 3 ) 根据受力分析情况，对c d 6 1 4 0 床身进行加载，在a n s y s 和p r o e 中分别进 行计算，对于静态分析以最大位移最大应力作为约束条件，对于模态分析以各阶固有频 率作为约束条件，以床身重量作为目标函数。 ( 4 ) 根掘床身应力分布，用p r o e 对床身中的关键尺寸进行灵敏度计算，确定减重 量。对应力薄弱环节，同样进行加强方向的灵敏度计算，确定必要的加强重量。 ( 5 ) 对修改后的模型进行全面校核，包括静态应变最大值和动态固有频率等指标， 比较减重前后的变化。 ( 6 ) 根据实际工况及设计要求，给出最终方案。 1 7 本章小结 ( 1 ) 本章针对c d 6 1 4 0 车床床身的结构优化，论述了有限元分析和结构优化的基本概念、 发展现状。并对本课题要采取的有限元与结构优化相结合的研究方法做出论述。 ( 2 ) 本章也阐述了对本课题所要研究的c d 6 1 4 0 车床床身进行结构优化的意义以及相对 应完成的主要任务。 大连理1 。人学硕士学位论文 2 第二章建立床身的有限元结构模型 2 1 建模的几个基本问题 有限元分析的最终目的是要还原一个实际工程系统的数学行为特征，因此，在对具 体闻题迸行有限元分析时，首先需要建立针对该问题的有限元模型。广义的模型包括所 有的节点、单元、材料属性、实常数、边界条件，以及表现这个物理系统的其它特征。 在a n s y s 术语中，建立模型一般是狭义地指用节点和单元表示空间体域及实际系统连 接的生成过程。 建立准确而可靠的结构有限元计算模型，是一项极为重要的工作，它直接关系到计 算结果的正确与否。但是实际工程问题往往非常复杂，结构形状、支承边界、载荷等存 在各种可能，因此就要求在建立计算模型的过程中，必须进行必要的简化，否则，这类 结构的有限元计算会变得异常困难，有时甚至是不可能的。然而这种简化的结果，使得 计算模型只能近似地反映工程实际问题，或者说计算模型在不同程度上都具有一定的近 似性。结构有限元法分析结果的准确性很大程度上受到所建立的模型的准确性。 为了使有限元分析达到预期的效果，对所建立的计算模型有以下基本要求： ( 1 ) 计算模型必须具有足够的准确性。所形成的计算模型耍能基本上准确反映结 构的实际情况，既要考虑形状与构成的一致性，又要考虑到支承情况及边界条件的一致 性，还要考虑到载荷与实际情况想一致。必须合理地分配各个构件的单元数目。对一些 形状比较规则的构件可用较少的单元，而对一些形状比较复杂而又重要的构件可用较多 的单元来模拟。为保证求解的正确性，各个构件的单元密度不能相差太大。 ( 2 ) 计算模型要具有良好的经济性。复杂的计算模型一般来说具有较高的准确性， 但相应地会增加前处理、数据准备工作和上机计算时间，从而使计算费用大大增加。特 别是当需要对大型结构进行有限元计算时，在建立模型的同时，一定要考虑模型的经济 性问题。目前，计算机技术的飞速发展，工作站、微机性能的提高，计算时间和费用已 不成为问题，这使得建立计算模型时，计算模型的准确性提到了重要位置，只是适当兼 顾其经济性。 生成模型的几种方法： ( 1 ) 直接用a n s y s 创建实体模型，即通常所说的实体建模；先对模型的几何特征 进行插叙，通过控制单元划分的大小及形状，使a n s y s 自动生成节点与单元，从而生 成有限元模型： ( 2 ) 利用直接生成法：先确定各个节点的位置，以及各单元的形状、尺寸，再定 ( 2 ) 利用直接生成法：先确定各个节点的位置，以及各单元的形状、尺寸，再定 义实体模型； 基丁：有限元的乍床床身结构优化 ( 3 ) 在计算机辅助设计( c a d ) 系统中创建好相应模型，然后导入到a n s y s 环境 中，只需做适当的修改就可以转化为有限元模型。 2 2 床身结构建模方法 建立有限元模型是进行有限元分析的基础，而选择合理的建模方法建立准确的模型 的关键。本文采用的是在三维建模软件p r o e 中建立床身结构模型，然后利用a n s y s 中的接口功能，将p r o e 中建立的床身结构模型导入到a n s y s 中，从而建立起床身的 有限元模型。 通过观察c d 6 1 4 0 床身零件图发现，床身属于结构铸件，有许多铸造圆角、工艺孔， 如果根据实际情况将这些实体特征在p m e 中进行造型，势必很大程度上增加有限元计 算量。这里首先进行一系列的简单造型实验，验证不同特征对有限元计算结果的影响。 通过这些造型试验，进一步分析这些结构特征如何影响床身的有限元分析结果，以及是 否可以忽略这些实体特征。 2 3 验证圆角对位移的影响 图2 1 圆角对位移的影响 f i g u r e2 ，1c i r c l et oe f ! e 色c to f d i s p l a c e n l e n t 选择l 形实体，在拐角处分别设置倒角o ，l ，5 ，l o 在实体的上表面加5 0 0 面压 力，固定左下角端面，计算后结果如表3 1 ： 表2 1 圆角位移关系表 t a b l e2 1c i r c l ed i s p l a c e m e n tr e l a t i o n st a b l e 倒角最大应力最大位移网格精度 01 7 1 0 2 04 3 1 2 5 6 15 7 4 5 2 74 4 9 0 46 52 6 7 1 2 54 3 5 66 l o2 0 5 9 9 84 2 6 5 96 盔垄翌：蔓盔堂堡主塑堡兰一 分析表中的数据可知，在相同的受力模型、网格划分精度情况下，倒角大小对零件 变形影响不大，而对最大应力的影响较大。由于本课题主要关心的是最大位移，因此将 床身零件中r 1 0 以下的圆角忽略。 2 4 验证圆角对拉压的影响 图2 2 圆角对拉压的影响 f i g u r e2 ，2 t op u l lp r e s s u r eo f f t l l ei m p a c t 在实体上表面加5 0 0 面拉力后结果与受压力时正好相反。可见圆角对拉压的影响效 果是一致的，因此在造型时可以忽略圆角对拉压问题的影响。 2 5 验证工艺子l 对右限元计篁的影晌 图2 3 工艺孔对有限元计算的影响 f i g u r e2 3c r a rh 0 1 et oc a l c u l a t et h ei m p a c t o ff i n j t ee l e r n e n t 基于有限元的车床廉身结构优化 如图建立悬臂梁结构中间开5 个半径为r 的圆孔，梁长度4 0 0 宽度2 0 0 厚度5 0 。 固定左端，在上面加一均布向下的载荷。在此状态下改变圆孔的半径大小r ，将其作为 自变量，利用p r o ，e 的全局灵敏度计算功能，将粱的最大位移作为函数值，绘制图形如 下： 图2 4 工艺孔对有限元计算的影响灵敏度分析 f i g u r e2 4s e n s i t i v 姆c a l c u l a t b nc r a f ch o l et ot h ei m p a c to fn n n ee i e m e n t a n a l y s i s 通过分析图2 5 可知当5 个开孔的半径r f i i e i n l p o r t 1 0 e s 图2 6a n s y s 中导入c d 6 1 4 0 床身模型 f i g u r c2 6i n v o l v e db e dm o d e lo f c d 6 1 4 0b e dc oa i l s y s 能。 基于有限元的车床床身结构优化 2 7 本章小结 ( 1 1 本章经过一系列的模拟试验得知，当床身结构圆孔的开孔半径r f i l e i m p o r t i g e s 。使用a n s y s 进行分析前，首先必须定义模型的材料特性。可以从材料库中选 择材料，但一般情况，应该建立用户自己的材料库。打开材料属性g u i ：m a i nm e n u p r e p r o c e s s o r m a t e r i a ip r o p s m a t e 血im o d e i s ，弹出对话框，选择s 咖c t u r a l “n e a r i s o t r 0 d i c 弹出对话框： 火连理：大学硕士学位论文 图4 1 定义模型材料 f 噜u r e4 1 d e f i n i t j o no f m o d e lm a t e r i a l 在此处定义材料的杨氏弹性模量e x 和泊松比p r x y 。 选择d e n s 畸，定义材料的密度等。模型采用灰铸铁2 5 0 ，各要求如下： 表4 1 材料详细信息 t a b l e4 1d e t a i l e di n f o r m a t i o nm a t e r i a l i 材料名称密度d e n s 畸杨氏弹性模量e x泊松比p r x y h t 2 5 0 7 3 0 0 k g 脚2 2 e + 1 ln ，肌2 0 3 4 3 2 网格划分 有限元求解时需要有限元模型，实体模型不参与有限元求解，所以必须对实体模型 进行网格划分。网格划分是用节点、单元填充实体模型建立有限元模型的过程。网格划 分有三个步骤：1 定义单元属性；2 指定网格控制；2 生成网格。单元属性包括：单元类 型；实常数；材料性质。材料属性在定义材料部分已经定义；本单元类型采用的是三维 实体s o l i d 9 5 ；用如下命令：p r c p m c e s s o r e l e m e n t t y p e a d d e d i t d e l e t e ，或使用e t 命令：e t ，1 ，s o l i d 9 5 ：定义完这些后，就可以对模型进行网格划分。下面验证网格密 度对计算结果的影响。 基丁有限元的车床床身结构优化 图4 2 网格密度对于位移的影响 f i g u r e4 2 g r i dd e l l s i 哆f o rd i s p l a c e m e n te 髓c t s 对同样的有倒角的l 型实体，施加相同力和约束，作进行不同密度的网格划分。 表4 2 网格密度关系表 t a b l e4 2g r i dd c n s i t yr e l a t i o n st a b l e 倒角最大应力最大位移网格精度备注 53 0 3 2 9 0 4 3 8 8 8 l 53 0 1 4 1 54 3 8 0 52 52 9 5 9 5 64 3 73 52 9 8 9 1 44 3 6 8 14 52 8 6 4 0 14 3 6 2 65 52 6 7 1 2 54 3 5 66 5 2 7 9 4 8 74 3 4 8 1 7 52 9 1 9 4 94 2 3 0 48 52 6 9 2 8 6 4 2 0 1 l 9 5 2 7 4 4 1 64 2 7 9 7 1 0 表中可以看出，本文网格划分等级在八级以上时，对计算结果影昀很小，选择8 级精 度。打丌智能网格划分，这里设置单元尺寸等级为8 ，然后对所有实体一次划分网格。 大连理工人学硕+ 学位论文 图4 3a 1 1 s y s 中网格划分 f i g u r e4 3 g r i dd i v i s i o ni na n s y s 4 3 3 施加约束 根掘实际工况分析，可以对床身施加约束： 对床身底部与地角螺钉连接处施加约束， 各个方向的自由度为零。 图4 4a n s y s 中施加约束 f i g u r e4 4i m p o s eb i n di na n s y s 2 9 基丁二有限元的车床床身结构优化 43 4 旋加载荷 用a n s y s 作有限元分析，在定义载荷时，可以对实体模型加载或对有限元模型直 接加载( 节点和单元) 。但无论怎样加载，求解器都要求载荷加在有限元模型上。因此， 在求解时，加在实体模型上的载荷，将自动转化到有限元模型上。所以在网格划分完成 后，可以对有限元模型旋加载荷。 在a n s y s 中对模型施加载荷时，采用对模型施加线性梯度载荷。所以，在定义梯 度载荷前，必须确定载荷的梯度以及零点位置的载荷。 ( 1 ) 梯度以及零点位置的载荷的确定 根据第4 部分床鞍的受力，这里采用线性梯度分布载荷 平面总力= 0 8 2 + o 8 2 = 1 6 4 n ，m m 内山总力= 4 8 8 6 0 6 l + 2 8 8 9 0 5 = 5 2 7 4 9 6 6 n m m 5 2 7 4 9 6 6 1 4 1 4 2 = 3 6 - 3 n m m 外山总力= 3 0 0 5 1 7 5 ，o 4 9 4 9 7 = 2 9 5 5 6 7 8 n m m 2 9 5 5 6 7 8 1 4 1 4 2 = 2 0 9 n ，m m 大山导轨4 5 度宽度o 0 2 6 8 7 米受力长度卸7 1 3 5 米 大平面导轨宽度o 0 4 4 米受力长度= o 7 1 3 5 米 大平面导轨下平面宽度o 0 2 2 米受力长度= o 7 1 3 5 米 大山导轨下平面宽度0 0 1 5 米受力长度= 0 7 1 3 5 米 结果如下表： 表4 3 各受力面在受梯度力时梯度及零点力 t a b l e4 3g r a d i e n ts t r e n g t ha 1 1 dz e ms t r e n g t hi nt h ef a c e 类型梯度零点力备注 平面 o3 7 2 7 2 7 3 外山1 5 9 3 4 2 6 。9 9 4 8 0 7 0 59 9 16 0 6 0 2 3 8 0 1 2 4 4 内山 2 3 4 5 8 8 0 1 0 3 4 6 5 9 41 2 8 8 0 1 0 _ 8 1 9 1 1 9 5 3 犯) 平面的剖分 床鞍的受力面长度为o 7 1 3 5 米，而且受力位置也不断改变，因此必须对床鞍面进 行剖分。在a n s y s 中对面的剖分不是很复杂，采用面与体相交的方式，即在要剖分的 位置处建立一垂直平面与床鞍体相交，必与床鞍面有一交线，则平面就被剖分丌。 f 3 ) 在剖分平面上旌加载荷 前面分析过，无论怎样加载，求解器都要求载荷加在有限元模型上，在面上施加 载荷，实际上就是对面上的节点施加载荷。因此在剖分平面上施加载荷的过程中，最关 丛蕉墨三盔塑主塑笙苎 一 键的是面上的节点是否被完全选择。如下图所示，在平面，外山，内山分别施加梯度载 荷。 图4 5a i l s y s 中施加载荷 f i g i l r e4 5i m p o s el o a di na n s y s 4 3 5 求解计算 进入求解器m a i n m e n u s 0 1 u t i o n s o l v e c u 玎e m l s 。求解完成后，进入通用后处 理器观察计算结果： 基于有限元的车床床身结构优化 图4 6 a 1 1 s y s 中计算结果 f i g u r e4 6 c a l c u l a t i o nr e s u l ti 1 1a n s y s 4 4p r o e 结构刚度分析 4 4 1 定义材料 在p m 厄中导入模型，依次单击主菜单a p p l i c a t i o n s m e c h a n i c a c o n t i n u e s t m c t u r e ，进入模块分析界面。 在使用p r o 肌e c h a n i c a 进行分析前，首先必须定义模型的材料特性。选择材料型 号h t 2 5 0 。 4 4 2 施加约束及载荷 施加载荷需明确该载荷的位置、大小及其他一些主要特征。 ( 1 ) 床鞍受力大小的确定 根据床鞍的受力， 平面总力= 5 8 5 + 5 8 5 = 1 1 7 0 n 夕i 山总力= 1 0 7 2 0 9 6 1 8 1 2 5 1 7 5 5 8 0 5 4 7 5 = 1 0 5 4 3 3 8 1 2 6 5 n 内山总力= 1 7 4 3 1 0 2 2 6 1 7 5 + 1 3 8 6 4 1 8 5 8 7 5 = 1 8 8 1 8 4 4 1 2 0 5 n 3 2 人连理1 ：大学硕= k 学位论文 ( 2 ) 床头受力大小的确定 表4 4 床头各位置处受力大小 t a b l e4 4 s t r e n g t l ls i z eo f e a c hl o c a t i o no f h e a d 平面代号 f x f y f z 12 4 7 0 38 2 0 5 12 3 0 0 5 21 _ 0 0 7 76 9 5 5 52 6 9 1 0 37 9 4 5 6 2 1 1 9 0 一6 0 2 0 2 44 4 9 7 73 3 9 8 79 8 9 ，8 4 51 5 3 7 08 4 2 8 91 1 7 2 5 6 1 4 6 3 77 1 2 3 43 2 8 5 6 71 3 2 2 21 5 8 0 62 3 5 9 1 81 2 8 6 56 0 0 6 72 2 2 1 6 总计 5 8 4 8，1 4 6 2 06 5 7 9 根据p r o e 建立的坐标系，表4 4 中的数值必须作坐标转换。其中f j ( = f z ，f y = 。f y ， f z = f x 。( f x ，每，f z ) 表示在p r 0 甩中的坐标系。 ( 3 ) 床鞍受力位置的确定 根据上面分析床鞍受力主要包括切削力、床鞍部件的重力、齿条牵引力、导轨支持 力。床鞍上的大小托板是可以移动的，工件的车削半径也是时刻改变的，所以刀具的受 力点相对于床鞍坐标系来说是不断变化的。在床鞍上施加载荷时，载荷施加的位置不同， 床鞍因受载荷而产生的应力和变形都不一样。为找出在相同载荷情况下，床鞍上的最大 变形位移，对床鞍上各受力面进行剖分，从而找到最大变形位罱。 由对床鞍的受力分析部分有： 大山导轨4 5 0宽度o 0 2 6 8 7 米受力长度= o 7 1 3 5 米 大平面导轨宽度0 0 4 4 米受力长度= 0 7 1 3 5 米 大平面导轨下平面宽度o 0