（机械电子工程专业论文）螺栓节点球加工中心立柱的静动态分析及优化设计.pdf

硕十学位论文 摘要 本文在总结加工中心发展的基础上，针对螺栓节点球加工中心立柱要加高的 现象，利用a n s y s 有限元分析软件对加工中心立柱进行了静动态性能分析以及 优化设计。 首先综述了课题的背景、意义以及螺栓节点球和有限元分析法的国内外研究 现状，并将有限元这一最常用的结构分析方法引用到立柱的结构分析和设计中， 为后续的研究工作奠定了理论基础。 根据加工中心立柱的结构特点和受力情况，对立柱的结构进行适当简化，选 取c a d 三维模型软件p r o e 建立立柱的几何模型，并将建好的模型导入到有限元 分析软件a n s y s 中。通过对模型定义单元材料、材料属性、施加边界约束条件 和划分网格建立了立柱的有限元模型，然后根据静态力学的有关知识、立柱静态 工况的模拟和施加载荷对立柱进行静态有限元分析。根据强度理论对分析得到的 结果进行强度校核，根据最大位移变形量对立柱的刚度进行了评估，立柱加高前 所得到的最大应力和最大位值也就成为立柱加高后优化设计的目标函数。 其次，对立柱进行了模态分析和谐响应分析，得到立柱的加高前以及加高后 的前八节固有频率和振型，并结合加高后立柱的谐响应分析结果来综合评价立柱 的力学性能。通过模态分析和谐响应分析结果表明，立柱加高后在频率4 0 0 h z 处 容易发生共振，应尽量避免。静态分析、模态分析和谐响应分析为立柱优化设计 和动力改进打下了基础。 再次，立柱在优化设计中立柱的四个壁厚d lo 、d 1 1 、d 1 2 、d l3 为输入函数， 立柱的总质量、和静态分析中得到的最大变形位移为输出函数。用a n s y s w o r k b e n c h 对立柱进行优化设计，从而得到了2 4 种优化设计方案，从中选择3 种三组候选优化设计方案。然后分别对这3 种优化方案进行模态分析，取其前四 阶的固有频率和振型，得到分析结果结合静态分析结果来综合评选优化的最优方 案。 关键词：加工中心：立柱；有限元分析：静态分析；动态分析；优化设计 螺栓节点球a n t 中心立柱的静动态分析及优化设计 a b s t r a c t i nt h i sp a p e rb a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fm a c h i n i n gc e n t e r ，a c c o r d i n gt ot h e p h e n o m e n o no f t h eh i g h e rc o l u m nc h a r a c t e r i s t i c so f b o l t e dn o d es p h e r e sm a c h i n i n g c e n t e rs t r u c t u r e t h ec o l u m no fb o l t e dn o d es p h e r e sm a c h i n i n gc e n t e rs t r u c t u r ea r e r s e a r c h e di nt h ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no ft h es t r u c t u r ew i t hg e n e r a lf i n i t ea n a l y s i s s o f l w a r ea n s y s i nt h ef i r s t ，s a i dt h eis s u eo fb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c hb o t ha t h o m ea n da b r o a dp r e s e n ts i t u a t i o n ，a n dt h em o s tc o m m o n l ys t r u c t u r ea n a l y s i s m e t h o do ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e f e r e n c et ot h ea n a l y s i sa n dd e s i g no ft h e c o l u m n ，l a i dat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h es u b s e q u e n tr e s e a r c hw o r k a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ef o r c eo f t h em a c h i n i n gc e n t e r c o l u m n ，t ot h ea p p r o p r i a t ep r e d i g e s t i o no ft h ec o l u m n s e l e c t3 dm o d e ls o f t w a r e p r o ee s t a b l i s ht h ec o l u m ng e o m e t r i cm o d e l ，a n di m p o r tt h eb u i l tm o d e li n t ot h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y st h r o u g ht h em o d e ld e f i n i t i o nu n i tm a t e r i a l s 、 m a t e r i a l sp r o p e r t i e sa n de x e r tb o u n d a r yc o n s t r a i n tc o n d i t i o n st oe s t a b l i s ht h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lo ft h ec o l u m n ，a n dt h e ns t a t i c f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sb a s e do nt h e k n o w l e d g eo ft h es t a t i cm e c h a n i c s 、s i m u l a t i o ns t a t i c c o n d i t i o na n da p p l i e dl o a d c h e c ki n t e n s i t ya c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so b t a i n e dr e s u l to fs t r e n g t ht h e o r y ，a c c o r d e d t ot h em a x i m a ld i s p l a c e m e n td e f o r m a t i o n ，t h es t i f f n e s so fc o l u m nw a sa s s e s s e da n d p r o p o s e da ni m p r o v e ds c h e m e a n a l y s i st h eb e f o r eh e i g h t e n i n gc o l u m na n dg e tt h e b i g g e s ts t r e s sa n dm a x i m u mav a l u ew i l lb e c o m e t h eo b je c t i v ef u n c t i o no ft h eo p t i m a l d e s i g na b o u ta f t e rh e i g h t e n i n gc o l u m n s e c o n d ，m a k em o d a la n a l y s i s a n dh a r m o n i o u sr e s p o n s ea n a l y s i sf o rt h e c o l u m n ，g e t8n a t u r a lf r e q u e n c ya n dv i b r a t i o nm o d ef o rb e f o r eh e i g h t e n i n ga n da f t e r h e i g h t e n i n gc o l u m n a n dc o m b i n e dw i t ht h eh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i sr e s u l t so f t h e a f t e rh e i g h t e n i n gc o l u m nt oc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nt h ec o l u m nm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s t h r o u g ht h em o d a la n a l y s i sa n dt h eh a r m o n i o u sr e s p o n s ea n a l y s i sr e s u l t s s h o wt h a t ，t h ea f t e rh e i g h t e n i n gc o l u m ne a s i l yo c c u rr e s o n a n c ei nf r e q u e n c y4 0 0h z p l a c e ，s h o u l dt r yt oa v o i d s t a t i ca n a l y s i s ，m o d a la n a l y s i sa n dh a r m o n i o u sr e s p o n s e a n a l y s i sl a yaf o u n d a t i o nf o rt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n dd y n a m i ci m p r o v e m e n t a g a i n ，t h ef o u rw a l l t h i c k n e s sd 1 0 ，d l1 ，d 1 2d 1 3f o ri n p u tf u n c t i o ni nt h e o p t i m i z a t i o nd e s i g no f t h ec o l u m n t h et o t a lq u a l i t ya n dt h em a x i m u md e f o r m a t i o no f t h ed i s p l a c e m e n ti nt h es t a t i ca n a l y s i sg e tf o rt h eo u t p u tf u n c t i o n o p t i m i z e dd e s i g n 玎 硕十学位论文 o fc o l u m nw i t ha n s y sw o r k b e n c h ，t h u sg e t2 4o p t i m i z e dd e s i g ns c h e m e ，c h o o s e t h r e eg r o u p sc a n d i d a t eo p t i m i z e dd e s i g ns c h e m ef r o m2 4 t h e nc o n d u c t e dm o d a l a n a l y s i sr e s p e c t i v e l yf o rt h et h r e eo p t i m i z a t i o ns c h e m e t a k et h ef i r s tf o u rb a n d so f n a t u r a lf r e q u e n c ya n dv i b r a t i o nm o d e ，g e tt h e a n a l y s i sr e s u l t s ，a n dc o m b i n e dw i t h s t a t i ca n a l y s i sr e s u l t sc o m p r e h e n s i v es e l e c t i o nt ot h eo p t i m i z a t i o no ft h eo p t i m a l s c h e m e k e yw o r d s ：n cm a c h i n i n gc e n t e r ：c o l u m n ：f e a ；s t a t i ca n a l y s i s ；m o d a la n a i y s i s ： s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n i i i 螺栓节点球加t 中心立柱的静动态分析及优化设计 插图索引 图2 1 节点球加工中心的总体布局图8 图2 2 分度夹紧装置俯视图9 图2 3 分度夹紧装置a a 剖视图1 0 图4 1 立柱的装配图2 l 图4 2 立柱的实体模型2 l 图4 3s o l i d l 8 7 单元示意图2 3 图4 4 划分网格后立柱的有限元模型2 4 图4 5 立柱局部细化网格一2 4 图4 6 立柱载荷施加图一2 7 图4 7 立柱加高前总的变形图2 7 图4 8 立柱加高前v o nm i s e s 应力分布2 7 图4 9 立柱加高后总的变形图2 8 图4 1 0 立柱加高后v o nm i s e s 应力分布一2 8 图5 1 立柱加高前第一阶的模态分析云图3 7 图5 2 立柱加高前第二阶的模态分析云图3 7 图5 3 立柱加高前第三阶的模态分析云图3 7 图5 4 立柱加高前第四阶的模态分析云图3 7 图5 5 立柱加高前第五阶的模态分析云图3 7 图5 6 立柱加高前第六阶的模态分析云图3 7 图5 7 立柱加高前第七阶的模态分析云图3 8 图5 8 立柱加高前第八阶的模态分析云图一3 8 图5 9 立柱加高后第一阶的模态分析云图3 9 图5 1 0 立柱加高后第二阶的模态分析云图3 9 图5 1 l 立柱加高后第三阶的模态分析云图3 9 图5 1 2 立柱加高后第四阶的模态分析云图3 9 图5 1 3 立柱加高后第五阶的模态分析云图3 9 图5 1 4 立柱加高后第六阶的模态分析云图3 9 图5 1 5 立柱加高后第七阶的模态分析云图4 0 图5 1 6 立柱加高后第八阶的模态分析云图4 0 图5 1 7 立柱加后的x 轴幅率曲线4 2 图5 1 8 立柱加后的y 轴幅率曲线4 2 图5 1 9 立柱加后的z 轴幅率曲线4 2 图6 1 数值优化的流程图一4 6 硕十学位论文 r i _ _ _ _ _ _ _ 墨置詈詈暑詈詈置詈晕宣皇鲁喜置_ - _ 皇篁鼍_ _ _ _ _ _ 量_ _ _ _ 一 图6 2a 方案中第一阶的模态分析云图4 9 图6 3a 方案中第二阶的模态分析云图4 9 图6 4a 方案中第三阶的模态分析云图4 9 图6 5a 方案中第三阶的模态分析云图4 9 图6 6b 方案中第一阶的模态分析云图5 0 图6 7b 方案中第二阶的模态分析云图5 0 图6 8b 方案中第三阶的模态分析云图5 0 图6 9b 方案中第四阶的模态分析云图5 0 图6 1 0c 方案中第一阶的模态分析云图5 0 图6 1 1c 方案中第二阶的模态分析云图5 0 图6 1 2c 方案中第三阶的模态分析云图5 l 图6 1 3c 方案中第四阶的模态分析云图5 l v 螺栓节点球加下中心立柱的静动态分析及优化设计 附表索引 表4 1 螺栓节点球加工中心加工工件的参数2 5 表5 1 立柱加高前的前8 阶模态的固有频率和振型描述3 6 表5 2 立柱加高后的前8 阶模态的固有频率和振型描述3 8 表5 3 立柱加高后x 、y 、z 谐响应分析结果一4 3 表6 1 立柱优化设计中的输入参数变量与输出参数变量4 8 表6 2 立柱优化设计中2 4 个不同设计点的值4 8 表6 3 立柱优化设计中a 、b 、c 三个不同设计点的值一4 9 表6 4a 、b 、c 三组候选优化设计点与立柱加高后的模态分析比较5 l 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景与实际意义 目前加工中心逐渐成为机械加工业中最主要的设备，它的加工范围广，使用 量大，近年来在品种、性能、功能方面有很大的发展。尽管如此，国产加工中心 的生产远远满足不了我国市场的需求，产量和消费量的差距很大，每年需要从国 外进口大量的加工中心。这就说明一方面我国国民经济的快速发展需要大量的加 工中心来提高我国的制造业，另一方面国内加工中心与国外同类产品先进水平相 比还存在较大的差距，这是影响国产加工市场竞争力的主要原因。 随着加工中心产品不断的向高速、高效、高精度、高可靠性方向发展，对加 工中心结构静、动态特性的要求也越来越高，加工中心产品结构静、动态性能的 分析和结构参数优化研究也就越来越重要。 目前我国加工中心在技术水平上与国外同类型产品的先进水平相比落后 10 l5 年，在高精尖技术方面差距更大。在产品开发能力上，国内生产企业缺乏 对产品竞争的数控技术的深入研究和开发，特别是对加工中心应用领域的拓展力 度不强，集中体现在技术创新能力不强，产品开发能力较弱，对产品标准规范的 研究、制定落后。在产业水平上，国内加工中心市场占有率低，品种覆盖率小， 虽然近年来国内加工中心的产量增加较快，但是从总体上看，还没有形成规模生 产，功能部件专业化生产水平及配套能力较低。在国外加工中心大举进攻中国的 情况下，我们只有以积极的姿态面对这一严峻的形式，尽快应用先进的设计技术， 快速开发结构合理、模块化、智能化、柔性化、加工精度高、低成本的加工中心 来响应市场。为了达到这一目的，掌握先进的加工中心设计方法是尤为重要的。 螺栓节点球加工中心是兰州理工大学机电工程学院承接国家计委重点科技 攻关项目“空间过球心任意分布轴线螺纹孔及端面数控加工设备”而研发的一种 新型的加工中心。初始设计的加工中心并不能很好的完成自动的完成节点球的分 度和夹紧。为了解决这一问题，就在原有的加工中心上安装了专用的节点球分度 夹紧装置。从而导致了加工零件的空间不足，加工中心不能完成自动换刀功能， 所以加工中心的立柱必须要加高3 0 0 m m 。立柱是加工中心最主要的支撑件之一， 它承载的主要零部件有主轴、主轴箱、主轴电机和刀库等，在一般情况，立柱设 计的不合理将会缩短加工中心的寿命，立柱结构的静、动态特性与加工中心加工 性能有着密切关系，其动态特性将直接影响工件的加工精度、表面质量和生产率。 所以，研究立柱结构的静、动态特性是必要的。 本课题研究的目的：对螺栓节点球加工中心加高前和加高后的立柱结构建立 螺栓1 了点球加t 中心立梓的静动态分析及优化设计 三维有限元分析模型，并在此基础进行静力分析，得到了加高前与加高后立柱结 构的应力场和位移场，根据得到的结果分析立柱的强度和刚度；对立柱结构进行 模态分析和谐响应分析，并结合静态分析综合评价结构的力学性能；利用a n s y s w o r k b e n c h 的参数优化设计模块对加高后的立柱结构从静力分析角度对立柱进行 优化设计，获得了立柱结构以减轻重量和最大变形量为目标的优化设计方案，通 过分析不同方案优化后立柱的固有频率，从而选择立柱优化的最优方案。 1 2 节点球加工设备和有限元法的发展与现状 螺栓节点球钢网架在国内外大型体育馆、展览馆、机场以及现代化工业厂房 等建设中以得到了广泛的应用。但是我国的螺栓节点球的制造方法还是较为落 后，大都是在球上加工一个螺纹基准孔，做定位夹紧用。由于存在改基准孔，制 约了异型网架的构造，造成了其工作效率低下、产品质量差、加工精度不高n 3 1 。 由于夹紧分度机构精度差，使得加工出的节点球精度差，安装后的网架也存在着 隐患。当前国内很少有人对节点球加工中心进行研究。 江西省的机械施工公司刘荆琨设计的网架多空螺栓球车削夹具，马文华设计 的网架螺栓节点球加工专用组机床，天津二十治建设有限公司阎红海设计的加工 螺栓球工装胎具，以上这些这些设备对节点球的分度和夹紧多是手动或半自动 的，他们的加工精度不高且加工效率也不高。兰州理工大学研制的数控空间网架 螺栓节点球的加工设备，以定位、夹紧后的虚拟球心为基准，同时保证在端面上 所钻孔的轴线都交与这个虚拟的球心。 在国外，关于节点球加工用的机床的文献很少，但是相关的加工中心静动态 分析和优化却已经很普遍了。美国m i c h i g a n 大学t a n g k 在j o u r n a lo f m e c h a n i c a l d e s i g n t r a n s a c t i o n so ft h ea s m e 杂志上发表的m a x i m u mi n t e r s e c t i o no fs p h e r i c a l p o l y g o n sa n dw o r k p i e c eo r i e n t a t i o nf o r4 a n d 5 a x i sm a c h i n i n g ) ) 介绍了5 轴数控机 床加工球形工件的定位问题。 有限元法基本思想的提出是在1 9 4 3 年c o u t a n t 尝试应用定义在三角形区域上 的分片连续函数和最小势能原理相结合，来求解s t v e n a n t 的扭转问题。有限元 法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是2 0 世纪 5 0 年代首先在连续体力学领域一飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的 数值分析方法，随后很快就广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性 问题。19 6 0 年，美国的c l o u g h r w ，在一篇题为“平面应力分析的有限元法 论文中第一次提出“有限元法一这一名称哺1 。6 0 年代中后期，国外数学家开始介 入对有限单元法的研究，使有限元单元法有了坚实的数学基础。我国著名数学家 冯康教授早在1 9 5 6 年就发表了研究论文，这比美国数学家从事有限元法研究还 2 硕十学位论文 要早。1 9 6 5 年q c z i e n k i e w i c z 和他的同事y k c e n g 宣布，有限元法适用于所有 能按变分形式进行计算的场问题，使有限元获得了一个更为广泛的解释，因此它 的应用也推广到更广阔的范围哺，。 6 0 年代以来，随着电子计算机的发展与应用，有限元法得到了很大的发展。 由弹性力学平面问题扩展到空间问题与板壳问题，由静力平面问题扩展到稳定性 与动力学问题，由弹性问题扩展到弹塑性与粘弹性问题、疲劳与断裂问题等。与 此同时，有限元法的数学理论基础得到不断的加强，从而使有限元法的应用领域 由固体力学扩展到流体力学、传热学、电磁力学等方面。现在有限元法在理论与 实践上已经达到成熟的阶段，并且已研制出一些功能强大的实用计算程序，如著 名的s a p ( s t r u c t u r a la n a l y s i sp r o g r a m ) 程序系统，具有静力分析和五种动力分析的 功能，并配有使总刚度矩阵带宽优化和几种绘图程序，可将计算结果绘成图形输 出。 近年来，随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，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，现在从汽车到航天飞机，几乎所有的设计制造都离不开有限元分析 计算n 1 。采用有限元法的优势主要有以下几点： ( 1 ) 增加产品和工程的可靠性： ( 2 ) 在产品的设计阶段发现潜在的问题； ( 3 ) 经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本； ( 4 ) 缩短产品投向市场的时间； ( 5 ) 模拟实验方案，减少试验次数，从而减少实验经费。 在国外，机床结构的动力学研究和动态优化设计方面发展很快，普及采用有 限元法对机床部件及整机进行动态特性分析，并应用于高速机床的开发和研究。 s t a y l a r 结合有限元技术利用计算机编程对机床主轴刚度进行优化设计哺1 。 西班牙的m z a t a r a i n 用有限元法对立柱移动式铣床进行模态分析，采用 n a s t r a n 和i - d e a s 两种商用软件，建立包括床身、立柱以及整机模型，进行了模 态分析，并通过几种方案的比较，选择了其中较合理的结构作为优选方案阳1 。 韩国科学技术高级学院j u n gd os u h 和d a ih i ll e e 用有限元方法分析高速机 床的主轴外壳的阻尼特性，并用有限元法对高速铣床的滑块结构进行分析，得到 了一种新型的夹层复合结构，不仅可以减轻质量，还提高了它的阻尼系数n 们。 德国s t u t t g a r t 大学和a a c h e n 大学研制的两种不同结构和原理的并联运动机 床d y n a m 型卧式加工中心和l i n a p o d i i i 型立式加工中心，其主轴速度分别达到 l6 0 0 0 r m i n 和2 4 0 0 0 r m i n 。为了提高机床的动态性能和优化机床的结构，建立了 两台加工中心的整机的有限元模型。经过计算，得到机床在静态受力时的整机变 形和刚度，两台加工中心的x 、y 和z 三个方向的整机的静态刚度分别达到3 0 3 螺栓节点球加t 中心立梓的静动态分析及优化设计 n g m 以上1 。 美国国家标准技术学院t l s c h m i t z 用试验和解析相结合的方法建立高速机 床的刀具一刀夹一主轴系统的模型，能很好地预测系统的动态响应，最终可以得 到机床系统的稳定性图n 引。 c h i w e il i n 等利用有限元模型与动态试验相结合的方法，在考虑预载荷的情 况下对机床高速主轴进行了结构与热耦合分析口引。 s u n m i nk i m 等利用有限元与试验结合的方法针对高速加工中心主轴系统不 平衡对加工过程以及机床性能的影响进行了研究1 。 在国内，一些高校的研究者和有关专家也陆续将有限元方法应用到加工中心 及其零部件结构研究和开发设计中来。 清华大学李育文等人用有限元法分析了并联机床的静刚度，基于a n s y s 建 立了机床的有限元模型，计算出并联机床在工作空间内的刚度分析，并验证了该 模型的正确性n 引。 天津大学张兴朝等人针对龙门式立柱的结构设计提出了机床大件结构和结 构框架的概念，采用有限元法分析了机床的支腿和横梁等若干种元结构的动态特 性，选出其中动态特性较好的元结构用于立柱的整体结构设计，获得了良好的效 果。同时，利用立柱结构框架尺寸变化对其动态特性的影响，对龙门式立柱整体 外形的设计进行了优化n 引。 哈尔滨工业大学解文志、路副勇等人对高速电主轴进行有限元建模，经 a n s y s 计算分析了轴承预紧力对电主轴静刚度的影响，建立了电主轴的转子动 力学模型，理论上分析了离心力和陀螺力矩对电主轴动态特性的影响，对电主轴 进行模态分析，研究了电主轴的固有频率和振型，分析了轴承预紧力对主轴各阶 固有频率的影响n 。 湖南大学姜琼、黄红武、宓海清等人对m k q 8 3 1 2 对数控凸轮磨床进行了动 态特性分析研究，先在u g 中建模后导入m s c ，n a s t r a n 软件对磨床床身、砂轮 架、主轴等关键零部件进行了有限元计算分析，通过几种方案对比，确立了最优 设计方案。最后还对m k q 8 3 1 2 数控凸轮轴磨床进行了动态测试试验，通过实验 数据验证有限元模型分析的正确性引。 1 3a n s y s 的发展与优点 a n s y s 的发展已经有4 0 年的历史，从开始单一地帮助企业优化设计流程， 已经发展成为功能强大的c a e 软件系统n9 1 。a n s y s 软件是集结构、流体、磁场、 声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公 司之一的美国a n s y s 开发，可广泛用于航空航天、土木工程、机械制造等一般 4 硕十学位论文 工业及科学研究。该软件可在大多数计算机及操作系统中运行，从p c 机到工作 站直至巨型计算机，a n s y s 文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。19 7 0 年，j o h ns w a n s o n 博士洞察到计算机数值计算具有广泛的市场前景，于是创建了 位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡的a n s y s 公司。3 0 多年来，a n s y s 公司致力 于设计分析软件的开发，不断吸取新的计算方法和计算技术。在2 0 世纪7 0 年代 初期，a n s y s 程序中加入了许多新的技术，非线性、子结构以及更多的单元类 型被加入了程序，从而使程序具有更强的通用性。2 0 世纪7 0 年代后期，交互方 式的加入是该程序最为显著地变化，它大大简化了模型生成和结果评价，而近1 5 年则是c a e 软件商品化的发展阶。a n s y s 公司于1 9 9 6 年2 月份在北京开设了 第一个驻华办事机构，现有北京、上海、成都、广州4 个办事处和一个独资公司， 在中国拥有6 0 0 多家商业用户和5 0 0 家高校用户。 a n s y s 如今是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软 件，已广泛应用于工业生产及可行性研究。a n s y s 软件的优势体现在以下几点： 1 、与c a d 软件的无缝集成 为了满足工程师快捷地解决复杂工程问题的要求，a n s y s 软件开发了与著 名的c a d 软件( 例如p r o e 、u n i g r a p h i c s 、s o l i d e d g e 、s o l i d w o r k s 、i d e a s 、和 a u t o c a d ) 数据接口，实现了双向数据交换，使用户在c a d 软件完成部件和零 件的造型设计后，能直接将模型传送到c a e 软件中进行有限元网格划分并进行 分析计算，及时调整设计方案，有效地提高分析效率。 2 、使用强大的网格处理能力 使用有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求 解及计算结果的后处理3 部分。结构离散化的网格质量直接影响到求解时间及求 解结果的正确性。复杂的模型需要非常精确的六面体网格才能得到有效的分析结 果，另外，在许多工程问题的求解过程中，模型的某个区域会产生极大的应变， 单元畸变严重，如果不进行网格的从新划分，将会导致求解中止或结果不正确， a n s y s 凭借其对体单元精确的处理能力和网格划分自动适应技术在实际工程应 力方面占有了很大的优势，越来越受到用户的欢迎。 3 、高精度非线性问题求解 随着科学技术的发展，线性理论已远远不能满足设计的要求，许多工程问题 如材料的破坏与失效、裂纹扩张等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性 分析求解。众所周知，非线性问题的求解是很复杂的，它不仅仅涉及很多专门的 数学问题，还必须掌握一定的理论知识和求解技巧，学习起来较为困难。为此， a n s y s 公司花费了大量的人力和物力开发了适用于非线性求解的求解器，满足 了用户的高精度非线性分析的需求。 4 、强大的耦合场求解能力 5 螺栓节点球加t 中心立柱的静动态分析及优化设计 有限元分析方法最早应用于航天领域，主要用来求解线性结构的问题，实践 证明这是一种非常有效的数值分析方法，而且从理论上也己证明，只要用于离散 求解对象的单元足够小，所得的数值解就足够逼近于精确值。现在求解结构线性 问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构的非线性、流体动力学 和耦合场问题求解。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题也越来越复 杂，耦合场的求解就成为用户的迫切需求，a n s y s 软件是迄今为止惟一能够进 行耦合场分析的有限元分析软件。 5 、程序面向用户的开放性 a n s y s 公司为了扩大自己的市场份额，在a n s y s 软件的功能、易用性等方 面花费了大量的投资，由于用户的要求千差万别，不管他们怎样努力也不可能满 足所有用户的要求，因此必须给用户提供一个开放的环境，允许用户根据自己的 实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、材料的本构、流场边界条 件等。a n s y s 的二次开发环境可以满足不同类型用户的需求。 1 4 课题研究内容 在掌握一定螺栓节点球加工中心的工作原理及有限元法分析理论知识基础 上，运用p r o e 软件建立立柱加高前和加高后的三维实体模型，然后导入到 a n s y s 中，并对其进行静、动态特性分析，并根据分析结果对加工中心立柱结 构进行优化设计，从而得到立柱的最优设计方案。主要研究内容如下： 1 、基于有限元的基本理论，掌握有限元的运算方法，为立柱结构的分析和 优化打下理论基础。 2 、在p r o e 软件中建立螺栓节点球加工中心立柱加高前和加高后的三维c a d 模型，基于加工中心实际的工作特点，对加工中心进行工况分析，简化立柱部件 的受力和约束，选择合理的单元类型和网格划分方法，然后根据分析类型合理施 加载荷和约束条件，在a n s y s 软件中得到立柱结构的有限元分析模型。 3 、选择合理的解算器分析模型的静态性能，静态分析包括立柱的强度和刚 度分析，得到加高前和加高后立柱的应力、应变分布图并进行分析比较。 4 、应用有限元分析软件a n s y s 对立柱进行模态分析和谐响应分析，获得其 前八阶固有频率、振型和在外部激振力下容易发生共振的频率，为加工中心立柱 结构的优化设计奠定基础。 5 、根据a n s y s 结果分析结果，对立柱结构进行改进，分别设定不同的优化 设计变量，以立柱四个壁厚为输入参数，立柱的质量和立柱的最大变形量为输出 参数，在保证立柱静、动态特性的前提下应尽量降低立柱结构的质量和减少立柱 的最大变形量。 6 硕十学位论文 6 、利用有限元分析软件a n s y s 对优化后立柱结构的三种方案，进行模态分 析，并分析比较其前四阶的固有频率和振型，从而在保证立柱静、动态性能前提 下，选择立柱结构的最优方案。 1 5 本章小节 本章首先介绍了课题的背景、来源和意义，然后叙述了螺栓节点球加工中心、 有限元法和a n s y s 软件的发展历程，在此基础上阐述了国内外的发展现状和优 点，最后概括了论文的主要内容。 7 螺栓节点球加t 中心立梓的静动态分析及优化设计 第2 章螺栓节点球加工中心简介 2 1 j nt 中心的总体布局 螺栓节点球作为网架结构的关键部件，它的好坏将直接影响到节点球的加工 精度及质量。目前我国大多数节点球的加工设备的效率比较低，原因在于不能完 成节点球分度和夹紧装置的自动化。然而兰州理工大学承接国家计委重点科技攻 关项目“空间过球任意分布轴线螺纹及端面数控加工设备 而研发的一种新型的 螺栓节点球加工中心，实现节点球的自动化加工，还很大程度地提高了生产效率， 为各种异型网架的构造排除了障碍。 螺栓节点球加工中心是兰州理工大学机电工程学院的老师根据节点球加工原 理而设计的一种新型的加工中心。初始设计中它并不能自动的完成节点球的分度 和夹紧，为了解决这一份题就又在原有的设计基础上安装了专用的节点球分度夹 紧装置所以加工中心的立柱必须要加高。立柱是加工中心最主要的支撑件之一， 它承载的主要零部件有主轴、主轴箱、主轴电机和刀库等。因此对加工中心立柱 结构进行静动态分析和优化，提高加工中心的工作性能，从而提高它的加工精 度以及加工质量。螺栓节点球加工中心的总体布局图如图2 1 所示。 图2 1 节点球加工中心的总体布局图 1 主轴2 立柱3 刀库4 分度夹紧装置5 工作台6 床身7 电器柜8 操作面板与显示屏幕 3 硕十学俯论文 i 2 2 节点球夹紧装置 螺栓节点球加工中心是在原有机床上安装了专用的节点球分度夹紧装置，克 服了需要加工一个螺纹基准孔的缺陷，能够完成节点球的自动分度夹紧，很大程 度上提高了加工精度和加工质量。 节点球分度夹紧装置如图2 3 和2 4 所示。工作原理为：u 轴和v 轴是正交的 两个分度主轴的轴线。在节点球分度过程中通过先夹紧u ( v ) 轴，并使v ( u ) 处于 放松状态，分度电机驱动分度主轴绕u ( v ) 转过指定的角度完成一个方向的分度， 类似的完成另一个方向的分度。完成两个方向上的分度后，u 、v 轴同时处于夹 紧状态，这样就完成了一个角度的自动分度夹紧。在夹紧工件时，夹紧电机经过 减速器通过浮动联轴器带动左右旋丝杠旋转，丝杠旋转带动等效螺母相向运动完 成节点球的放松和夹紧。等效螺母与带带燕尾的滑板相连，分度主轴箱与滑板相 连，等效螺母运动时带动分度主轴箱沿燕尾导轨滑动，在分度夹紧状态时由分度 电动机带动水平夹爪转动完成分度心0 2 引。 图2 2 分度夹紧装置俯视图 9 螺栓- 1 了点球加工中心立柱的静动态分析及优化设计 图2 3 分度夹紧装置a a 剖视图 1 丝杠2 底座3 等效螺母4 减速器5 带燕尾的滑板6 分度电机 7 水平夹爪8 竖向支撑爪9 分度主轴箱1 0 夹紧电机 2 3 本章小结 本章首先介绍了螺栓节点球的总体布局，说明了加工中心立柱要加高的原 因，然后重点介绍了节点球夹紧装置的工作原理。 l o 硕十学位论文 第3 章有限元方法基本理论及a n s y s 软件介绍 3 i 有限元基本理论 有限元方法是解决工程和数学物理问题的数值方法。目前在工程领域内常用 的数值模拟方法包括有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法等。就应用 广泛性而言，有限元法应用最广。涉及复杂几何形状、载荷和材料特性的问题通 常不能得到解析形式的数学解答。由数学表达给出的解析形式的解答得出物体内 任何位置所要求的未知量的数值，因此对于物理中的无限多个位置都是可靠的。 这些解析解通常要求解常微分方程或是偏微分方程，由于复杂的几何形状、载荷 或是材料特性通常得不到解析解，因此我们需要依靠数值方法，如有限元法得到 可以接受的解答心。其基本思想是将连续的结构离散成有限多个单元，并在每一 个单元中设定有限数量的节点，将连续体看做是只在节点处相连续的一组单元的 集合体，同时选定场函数的节点值作为基本的未知量，并在第一单元中假设一个 插值函数来表示场函数的分布规律，进而利用弹性力学、固体力学、结构力学等 力学中的变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域 中的无限自由度问题转化为离散域中有限自由度问题。 简而言之，结构问题的求解通常是指确定每个结点的位移和构成承载结构的 每个单元内的应力。在非结构问题中，节点未知量可以使热流或是流体流动产生 的温度或是流体压力。 结构的有限元分析涉及到力学原理、数学方法和计算机程序设计等几个方 面，诸方面互相结合才能形成这一完整的分析方法。目前，一些大型通用的有限 元结构分析程序，如著名的n a s t r a n 、a n s y s 、a s k a 、a d i n a 、s a p 等，都 具有较强的静、动力分析功能，对于一般的工程机构分析问题，都可以