（机械制造及其自动化专业论文）现场端面车床刀架系统的结构优化研究.pdf

硕十学位论文 摘要 再制造技术是近年来国际上诞生的一门新兴修复技术，该技术已用于大型压 力容器法兰密封面的现场修复。本文介绍了大型压力容器法兰密封面两种失效形 式，并对相应的失效形式给出了修复方法，包括堆焊和后续机械加工。 为了修复大型压力容器法兰密封面，设计了现场端面车床，由于在现场加工， 该车床须质量轻、刚度大，加工精度高。本文针对该问题，对现场端面车床刀架 系统设计方案进行有限元分析和结构优化设计。 1 对现场端面车床的转臂、主轴及刀架结构装配体进行了静力分析。获得 了转臂、主轴及刀架结构装配体的节点等效应力和结构总变形，对其分别做了应 力分析和刚度分析。找出了刀架系统的薄弱环节，进而结构改进，提出了5 种改 进方案，通过比较，得出比较合理的改进结构。 2 对现场端面车床改进结构的转臂、主轴进行了模态分析。获得了转臂、 主轴的前1o 阶固有频率和振型。 3 对现场端面车床的转臂、主轴进行了谐响应分析。通过计算，获得了转 臂在简谐切削力的作用下的位移频率曲线；主轴在简谐啮合径向力的作用下的位 移频率曲线。 4 在a n s y s 中对现场端面车床的转臂进行了参数化建模，并且以转臂的6 个主要尺寸为设计变量，以刚度条件和强度条件为状态变量，以转臂的总体积为 目标函数进行优化设计，通过寻优，获得了转臂在机床设计变形允许值 0 0 2 0 0 5 m m 的范围内，质量最轻、刚度最大的结构尺寸。 关键词：再制造；现场端面车床；有限元法；优化设计；a n s y s a b s t r a c t r e m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yi sa ne m e r g i n gr e p a i rt e c h n 0 1 0 9 yw h i c ha p p e a r e d i nt h ew o r l dr e c e n t l y t h er e s u r f a c i n gw e l d i n gt e c h n i q u eh a sb e e nu s e di nt h ef i e l d r e l ) a i r i n g f o rn a n g es e a l i n g - f a c eo nl a r g e s i z e dp r e s s u r e v e s s e l s t h ep a p e r i n t r o d u c e dt w ok i n d so ft h ei n v a l i d a t i o nf o r m sa tf l a n g es e a l i n g f a c eo nl a r g e _ s i z e d p r e s s u r ev e s s e l s a tt h es a m et i m e ，c o r r e s p o n d i n gr e p a i rm e t h o d sw e r ep u tf o r w a r d ， i n c l u d i n gr e s u r f a c i n gw e l d i n ga n df o l l o w i n gm a c h i n g i no r d e rt op r o c e s sn a n g es e a l i n g f a c eo n1 a r g e s i z e dp r e s s u r ev e s s e l s ， w e d e s i g n e dt h el a t h ef o rf a c ef u t t i n go nt h es p o t b e c a u s eo fp r o c e s s i n go ns p o t ，t h e l a t h em u s th a v ep r o p e r t i e so fl o w e fm a s s ，h i g h e rr i g i d i t y ，p r e c i s em a c h i n g h e n c e ，i a p p l i e df e ma n do p t i m i z a t i o nt ot h el a t h e f o rf a c ec u t t i n go nt h es p o t f i r s t l y t h es t a t i ca n a l y s e sw e r ea p p l i e do nt h es w i n ga r m ，s p i n d l ea n dw h o l e e n t i t y g e tt h en o d a ld i s p l a c e m e n ta n ds t r e s so ft h e m t h e nt h ew o r s ep a r t so t s t r u c t u r ew e r ef o u n d f i v ed i f f e r e n ts t r u c t u r e sw e r eg i v e n ，u s et h es t a t i ca n a i y s e t o f i n dt h er a t i o n a ls t r u c t u r e s e c o n d ly ，t h em o d a la n a l y s e sw e r ea p p l i e do nt h es w i n ga r m ，s p i n d l e a sa r e s u l t ，t h es t a b l ef r e q u e n c ya n dc o r r e s p o n d i n go s c i l l a t i n gm o d e h a v eb e e ng o t t h i r d ly ，t h eh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s e sw e r ea p p l i e do nt h es w i n ga r m ，s p l n d l e t h er e s p o n s ec u r v e so ft h ea m p l i t u d ef o rf r e q u e n c ei nt h ed e t e r m i n e dc o n d i t i o nw e r e o b t a i n e d a tl a s t ，ib u i l d e dt h es w i n ga mi np a r a m e t e rw a y ，s e tt h em a i nd i m e n s i o na s d e s i g nv a r i a b l e ，s e tt h en o d a ld i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sa s s t a t ev a r i a b l ea n ds e tt h e w h 0 1 ev o l u m ea so b i e c t i v ev a “a b l ei na n s y s b yf e m a n do p t i m i z a t i o n ，ig o tt h e s t r u c t u r ew i t hl o w e s tw e i g h t ，w h i c hd i s p l a c e m e n tw a sb e t w e e no 0 2 0 0 5 m m k e yw o r d s ：r e m a n u f a c t u r i n g ；l a t h ef o rf a c ec u t t i n go nt h es p o t ；f e ：m ；o p t i m u m d e s i g n ；a n s y s i i 硕十学位论文 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 10 图2 11 图2 1 2 图2 13 图2 1 4 图2 15 图2 16 图2 17 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 10 图3 1 1 图3 1 2 图3 13 图3 14 插图索引 法兰密封面局部示意图3 现场端面车床结构简图6 刀架系统结构简图1l 转臂的有限元模型1 2 转臂受力分析1 3 转臂单元应力偏差云图1 4 转臂节点等效应力1 4 转臂结构的总变形15 主轴有限元模型1 7 施加载荷和约束后主轴有限元模型一1 8 主轴单元的应力偏差云图1 9 主轴的节点等效应力1 9 主轴结构的总变形2 0 装配体的有限元模型2 2 施加载荷和约束后装配体有限元模型2 2 装配体单元应力偏差云图2 3 装配体节点等效应力2 4 装配体结构总变形2 5 转臂结构参数2 6 转臂第1 阶振型3l 转臂第2 阶振型3l 转臂第3 阶振型3 1 转臂第4 阶振型31 转臂第5 阶振型3 2 转臂第6 阶振型3 2 转臂第7 阶振型3 2 转臂第8 阶振型3 2 转臂第9 阶振型3 2 转臂第1 0 阶振型3 2 主轴第1 阶振型3 4 主轴第2 阶振型3 4 主轴第3 阶振型3 4 主轴第4 阶振型3 4 i j l 现场端面午床刀架系统的结构优化研究 图3 15 图3 16 图3 1 7 图3 18 图3 19 图3 2 0 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 10 图5 1 1 主轴第5 阶振型3 5 主轴第6 阶振型3 5 主轴第7 阶振型3 5 主轴第8 阶振型3 5 主轴第9 阶振型3 5 主轴第1 0 阶振型3 5 转臂切削点x 、y 、z 方向位移响应曲线( 2 0 2 2 0 h z ) 4 1 转臂切削点x 、y 、z 方向位移响应曲线( 2 2 0 5 2 0 h z ) 4 1 转臂振动位移响应图( 4 2 h z ) 4 2 主轴径向力施加节点x 、y 、z 方向位移响应曲线4 4 主轴振动位移响应图( 1 5 5 0 h z ) 4 5 转臂参数化模型4 8 转臂体积与优化设计序列号之间的关系曲线5 l 设计变量与优化设计序列号之间的关系曲线51 b 1 与d m a x 关系曲线5 2 b 2 与d m a x 关系曲线5 2 b 3 与d m a x 关系曲线5 2 b 4 与d m a x 关系曲线5 2 b 5 与d m a x 关系曲线5 2 b 6 与d m a x 关系曲线5 2 改进结构5 总变形5 3 最优设计序列总变形5 3 硕+ 学位论文 附表索引 表2 1 转臂节点应力计算结果1 5 表2 2 转臂节点位移计算结果1 5 表2 3 主轴节点应力计算结果2 0 表2 4 主轴节点位移计算结果2 1 表2 5 装配体节点应力计算结果2 4 表2 6 装配体节点位移计算结果2 5 表2 7 转臂改进结构及变形2 6 表3 1 转臂前十阶固有频率和振型3 1 表3 2 主轴前十阶固有频率和振型3 4 表5 1 转臂参数尺寸4 8 表5 2 转臂最优设计序列5 0 表5 3 改进结构5 与最优设计序列比较5 3 表5 4 最终方案与原始结构静力计算比较5 3 表5 5 最终方案与原始结构固有频率计算比较5 4 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名：铂呈国 日期：加矿7 年多月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：铂呈国 导师签名 日期：叩年多月 日 日期：年月 日 硕十学位论文 1 1 再制造技术概述 第1 章绪论 再制造工程是先进制造技术2 l 世纪发展的一个重要组成部分和发展方向， 是对长期使用的设备原有零部件使用再制造加工技术，将零部件的性能、可靠性 和寿命等通过再制造加工恢复和提高，使设备零部件恢复尺寸、形状和性能，从 而使产品或设备在对环境污染最小，资源利用率最高，投入费用最小的情况下达 到最佳的性能要求。 在2 0 世纪，再制造是作为一种应急措施得到了发展。但是进入2 l 世纪后， 由于全球的矿产资源短缺和对环境改善的高要求，再制造已成为具有战略意义的 必然选择，其高度契合了我国构建循环经济和建设创新型国家的战略需求，并成 为我国循环经济( r e d u c e ，r e u s e ，r e m a n u f a c t u r e ，r e c y l e ) 中充分体现高技术 含量的要素。 再制造与维修都是将磨损或损坏的产品，恢复到正常的工作状态。但它们有 本质的区别：维修是在产品全寿命周期维修阶段，主要对其零部件进行更换，使 产品的局部性能得到恢复，是一种随机性、原位性、应急性生产方式；再制造是 在产品全寿命周期报废阶段，对产品进行全面拆解、清洗、检测，采用高新技术， 使零件具有互换性，产品质量等同或高于新产品，是一种专业化、批量化、规范 化生产方式。 再制造虽然与传统的回收利用有类似的目标，但回收利用( 如金属重新熔炼、 塑料重新熔铸等) 只是重新利用了它的原材料，往往需要消耗大量能源并污染环 境。再制造则以原有成形零部件为基础，进行局部加工与改造，使其性能达到甚 至超过原设备的性能，是一种最高附加值的生产方式。 再制造与传统制造技术的重要区别之一是加工的毛坯不同。传统制造技术是 对新材料进行加工，而再制造是对经过长期使用的已经成形且有缺陷的零件进行 加工。由于毛坯不同，相对于传统制造而言，再制造过程中的鉴定、加工、调整 以及质量控制等方面技术难度增大，约束条件苛刻。 1 2 再制造技术研究现状 1 2 1 再制造技术国外研究现状 上世纪3 0 年代，欧美的企业由于利益的驱动，对废旧产品再利用，于是逐 渐产生了再制造这个行业。7 0 年代末，美国麻省理工学院开始了研究工作。8 0 年代，l u n dr o b e r tt 等人对再制造工程经济领域的问题展开了研究，世界银行 现场端面下床刀架系统的结构优化研究 资助完成了再制造：美国的经验及对发展中国家的启示总结报告心1 ，推动了 再制造业的蓬勃发展。美国是再制造发展和研究最具代表性的国家。19 9 7 年美 国环境总署统计数据表明，从事再制造的企业有7 3 万家，直接从业人员超过 3 5 万人，年销售额超过5 3 0 亿美元。当时美国钢铁业从业人员2 4 万人，年销售 额5 6 0 亿美元。即9 6 年再制造业己经成为相当于钢铁行业这样国民经济支柱性 产业。近来欧美国家，除了立法支持再制造业的特殊地位，还加大了研究力度， 制订了战略规划。研究工作多集中在技术领域、产品寿命周期评估以及逆向物流 领域副。 b e c k e r 等人研究了再制造产品表面不同种类的污染物的清理方案h 1 。s m i t h v a n e s s am 等人建立了寿命周期评价体系，并用该体系来研究再制造汽车发动机 能源节省和污染排放量降低的程度哺1 。z s o l t 等人研究了产品回收物流网络的设 计，并将产品回收物流网络同传统的物流进行了比较，得出了产品回收物流网络 的固有特征哺1 。s u t h e r l a n d 等人提出了一种方法计算再制造产品相对于新产品的 能量消耗，并将这种方法运用到再制造柴油机的生产中刚。l i n t o n 研究了决定再 制造产品利润的因素，并用它们来评估各种再制造产品的经济合理性哺1 。 1 2 2 再制造技术国内研究现状 国内再制造产业还远没有形成，再制造企业也不多。对再制造的研究和认识 也刚刚起步。19 9 9 年6 月，在西安召开的“先进制造技术 国际会议上，徐滨 士等发表了表面工程与再制造技术的学术论文，在国内首次提出了“再制造 的概念，使得昔日装配维护、修补发生了质的变化。2 0 0 0 年l2 月，徐滨士等1 2 位院士和多名专家完成了绿色再制造：j ：程及其在我国应用的前景咨询报告。 2 0 0 3 年1 2 月徐滨士等5 3 位院士和专家又完成了废旧机电产品资源化咨询 报告。 目前一些高校和企业正在开展有关绿色设计制造、面向3 r ( r e u s e ，r e m a n u f a c t u r e ，r e c y c l e ) 的设计、产品全寿命周期过程等研究，瞄准了轿 车、摩托车、电冰箱、计算机、空调等产品的回收再制造。清华大学加大了对绿 色工程技术领域研究的支持力度，已经和美国t e x a st e c hu n i v e r s i t y 先进制造实 验室建立了关于绿色设计技术研究的国际合作关系。上海交大与美国通用福特汽 车公司合作开展了轿车的回收再制造研究1 。哈工大杨培基于弧焊机器人，对废 旧产品柔性再制造加工系统进行了研究n 引。天津工业大学靳晓曙研究了激光再 制造c a m 软件原型系统开发与实践1 。湖南大学黄震阐述了再制造工程在大型 风机主轴修复的应用情况n 剔。南京工业大学纪宏宸提出了对在役液化石油气球 罐裂纹修复的基本原则、技术路线和修复方法n 引。上海交大余建柏以曲轴为对 象，研究了曲轴油封面磨损尺寸恢复的微弧电阻焊工艺和电火花堆焊工艺，并且 提出了曲轴再制造工艺规范n 。 2 硕十学位论文 1 3 大型压力容器法兰密封面再制造技术应用 作为反应器的大型压力容器在化工、炼油领域应用广泛。其在使用过程中， 由于种种原因时常发生法兰密封面泄漏的现象。这种现象对于车间的安全生产危 害很大，必须立即采取措施，保证车间安全生产。 通常，处理该类法兰密封面严重泄漏的方法是更换新压力容器和修复法兰。 但是重新生产一个压力容器，需要焊接钢板，无损检测，机加工，用时长，影响 生产，同时价格很高：如果修复，主要是运回制造厂家，在其加工大型件的专用 机床上进行修复，但是大型压力容器返厂加工，运输不便、费用高、耗工时。 近几年，一种新的修复方式一一现场修复技术在国内发展起来。现场修复是 指针对大型压力容器法兰密封面的腐蚀程度、现场条件等选定合适的修复工艺在 现场对其进行修复加工。现场修复囚其不用返厂、费用低、时间短、经济效益大 而发展很快。现场修复法兰方法很多，目前主要采用热喷涂、堆焊、激光熔覆等 在腐蚀处增加一层或几层材料，然后采用机加工方法精加工至规定的尺寸和技术 要求。 某石化公司在对大型压力容器法兰密封面修复时，设计了现场端面车床加工 法兰密封面，由于在现场加工，该车床须质量轻、刚度大，加工精度高。本文针 对该问题，对现场端面车床刀架系统设计方案进行有限元分析和结构优化设计。 1 3 1 法兰密封面失效形式 大型压力容器法兰孔径较大，容器中的介质为高温、高压、强腐蚀性时，容 器法兰密封面极易生成裂纹。根据裂纹的大小分为两种失效形式：一种是只有耐 腐蚀性表层金属有裂纹，对过渡层金属影响不大。另一种是裂纹己经生长到过渡 层金属，甚至达到了基层金属。法兰密封面局部结构示意图如图1 1 。 表层金 过渡层金 基层金 图1 1 法兰密封面局部示意图 现场端而车床刀架系统的结构优化研究 1 3 2 法兰密封面再制造技术 第一种失效形式的修复工艺是：铲除具有裂纹的表层，重新堆焊耐腐蚀性的 表层金属，探伤，机械加工密封面。第二种失效形式的修复工艺是：铲除具有裂 纹的所有金属层，堆焊过渡层金属，热处理( 消除焊接应力) ，探伤，堆焊耐腐 蚀性的表层金属，探伤，机械加工密封面。 1 4 机床有限元分析和结构优化的研究现状 1 4 1 有限元分析和结构优化国外研究现状 ( 1 ) c a d c a e c a m 已成为普遍应用的技术。目前国际市场竞争日趋激烈， 各家公司纷纷使用计算机优化方法，缩短机床开发周期，提高机床质量。通过各 种三维软件如s o l i d w o r k s 、u g 等，建立机床的实体模型，然后对机床的虚拟样 机进行运动仿真、结构仿真、加工仿真，发现薄弱环节，再对虚拟样机进行修改， 然后重新仿真，直到仿真结果合适为止，再制造样机。最后在样机上对主要参数 进行实验n 5 i 。 ( 2 ) 对机床进行综合优化。美国堪萨斯州立大学的k r i s h n a s w a m i p 和 k e l k a r a g 提出通过平衡机床的性能、稳健性、公差许可来对机床系统进行优 化。他们认为可以牺牲一些性能来获得机床其它方面的优化，并给出了方法使性 能、稳健性、公差许可三者达到最佳平衡状态n6 j 。另外美国俄克拉荷马大学的 e d k em s 和c h a n gk h 提出在机床每一次反复设计过程中，利用f e a 评估机床 的结构性能，利用虚拟加工保证机床的机械性能，并且估计加工时间，采用基于 梯度的优化算法不断更新有限元模型和虚拟加工模型，直到满意为止n 引。 ( 3 ) 采用各种算法对于复杂的机床结构优化。日本京都大学的y o s h i m u r a m a s s a t a k a 和i z u ik a z u h i r o 提出采用包含多层次基因代码的遗传算法来优化机床 结构n 刚。美国密歇根大学的o r l a n d e an 提出采用平面包络算法和a d a m s 软件 来优化设计并联机床n 引。 ( 4 ) 采用一些先进的方法进行优化。韩国庆北国立大学的l e ej h 、n g ， w 等人提出了三种3 轴高精度微型机床结构，然后应用稳健性评估方法对其筛 选，找出最合适的结构乜引。韩国中央大学的k i md i 、j u n g ，s c 等人采用参数 化设计方法对微细电火花机床的夹层结构进行优化心。 1 4 2 有限元分析和结构优化国内研究现状 ( 1 ) 采用a n s y s 对机床进行动静态分析，找出其薄弱环节，然后对机床 优化。清华大学的刘悦等为了提高重型混联机床x n z h 2 4 3 0 的承力刚度，用有 限元方法来研究了它的静刚度，计算了该机床在不同位置时承受一定载荷引起的 4 硕十学付论文 变形位移，并对机床某些部件的结构进行了改进乜利；东北大学的朱春霞等对其 研制的3 一t p t 并联机床在某一工作位置的三种不同受力情况下的机床主体结构 进行了线性静态分析，得出了该机床的刚度和应力分布情况心引；北京理工大学 的付铁等应用a n s y s 软件对b k x i 型变轴数控机床进行模态分析，通过分析， 得出了该机床的前4 阶同有频率和相应振型，在此基础上，分析了机床的位置变 化对固有频率的影响规律，并指出了影响该机床动态特性的薄弱部位乜引。 ( 2 ) 采用实验模态分析的方法，得到了机床的低阶固有频率，振型等，然 后根据这些数据进行优化。北京理工大学的范培卿等在对b k x i 型并联运动机 床进行实验模态分析的基础上，获得了机床在典型位姿下的低阶固有频率、振型、 阻尼比，同时通过对机床系统进行灵敏度分析确定其薄弱环节，并提出提高并联 机床动态特性的具体措施心5 。；天津大学的辛志杰等针对一台数控弧齿锥齿轮铣 齿机进行机床整机模态实验测试及分析心钊。天津大学的杨理诚等讨论了精密数 控机床在相对激振试验时的理论模型，确定了伪随机相对激振测试加工中心主轴 系统动态特性的试验方案与测试系统，给出了激振器的安装位置，精确地测出 7 0 个点的响应，获得了反映加工中心主轴系统动态特性的各阶模态心7 1 。 ( 3 ) 采用各种算法进行机床结构优化。贵阳学院的邵红艳利用人工神经网 络实现机床主轴动态特性的近似分析，借助遗传算法实现给定同有频率下的最小 重量优化设计凹引；广东工业人学的吕文阁在满足各种约束条件下，使机床主轴 刚度最好和材料最省的要求，建立了机床主轴结构优化设计的数学模型，应用竞 选算法对问题进行了求解，得到了结构优化设计方案心9 | 。中国地质大学的王雅 洁利用粒子群算法对机床主轴结构进行了优化设计b 钊。 ( 4 ) 采用拓扑优化方法对机床结构进行优化。江苏科技大学的刘志强等采 用s 1m p 理论建立数学模型，并应用改进的启发式优化准则算法求解数学模型， 数学模型和优化算法用a p d l 语言描述，在a n s y s 平台上对舵叶连接法兰面加 工机床的升降台进行拓扑优化，在体积约束的情况下，得到了刚度最优的概念性 c a d 模型口；东南大学的倪晓宇等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刳。 ( 5 ) 采用参数化优化设计方法。东南大学的汪列隆等用a p d l 语言对主轴 箱内部筋板进行参数化建模，利用a n s y s 参数化优化设计，得到最佳筋板数目、 筋板间距、筋板厚度和高度；也使主轴箱的自重得到。卜- 降，动态特性得到提高引。 以上国内外机床结构优化方法中，最成熟的是有限元方法。首先该方法有比 较完整的数学基础，主要包括变分原理、s o b o l e v 空间、椭圆边值问题、有限元离 散、协调有限元方法的误差分析、数值积分影响等。其次，该方法使用较早，它 的应用可以追溯到2 0 世纪的早期，当时一些研究者应用离散的等价杆拟合模态 的弹性体。第三，国际上早在2 0 世纪5 0 年代末、6 0 年代初就投入大量的人力 和物力开发具有强大功能的有限元分析软件，其中最为著名的是由美国国家宇航 局( n a s a ) 在19 6 5 年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的 现场端面乍床刀架系统的结构优化研究 n a s t r a n 有限元分析系统，它是目前世界上规模最大、功能最强的有限元分析 系统，另外从那时到现在，世界各地的研究机构和大学也发展了一批规模较小但 使用灵活、价格较低的专用或通用有限元分析软件，主要有德国的a s k a 、英国 的p a f e c 、法国的s y s t u s 、美国的a b o u s 、a d i n a 、a n s y s 、b e r s a f e 、 b o s o r 、c o s m o s 、e l a s 、m a r c 和s t a r d y n e 等公司的产品，这些软件给 解决工程实际问题带来了极人的方便。另外，试验也是常用的方法，但由于本课 题研究的现场端面车床是单件生产，做实验周期长、成本高，所以本课题采用有 限元方法，即利用有限元分析软件a n s y s 对刀架系统进行动静态分析，并在此 基础上进行优化。 1 5 本文研究目的和主要内容 电机 图1 2 现场端面车床结构简图 本课题基于现场端面车床，其结构简图如图1 3 ，把车床的刀架系统作为研 究对象，通过对现场端面车床刀架系统的静刚度分析、模态分析、谐响应分析， 优化影响系统刚度的结构和功能部件的特征参数，从而达到提高加工精度的目 的。 本课题主要研究内容： ( 1 ) 找出现场端面车床刀架系统的薄弱环节，并提出改进方案。在受力分 析的基础上，利用a n s y s 对其进行静刚度分析，获得刀架系统在切削力作用下 的变形图，从而直观的看出其薄弱环节，并提出几种结构方案，从中选择合理设 计方案。 ( 2 ) 求解现场端面车床刀架系统的固有频率、振型，以及其在承受随时间 按正弦规律变化载荷时的稳态响应。因为这些是承受动态载荷结构设计的重要参 6 硕十学位论文 数。 ( 3 ) 对现场端面车床刀架系统进行优化设计。由于是现场加_ t ，最终的设 计方案必须具备重量轻、刚度大、抗振性能好、加工精度高等要求。 1 6 本章小结 首先介绍了再制造技术以及国内外研究现状；然后分析了再制造技术在法兰 修复上的应用；接着研究了现场修复大型压力容器法兰密封面时，对现场端面车 床的要求，并介绍了国内外在机床有限元分析和结构优化的研究现状；最后提出 了本文的研究目标和对象，并介绍了本文的研究内容。 7 现场端而下床刀架系统的结构优化研究 第2 章现场端面车床刀架系统有限元静力分析 2 1 引言 静力分析，用于计算在固定不变的载荷作用下结构的响应( 如支反力、位移、 应变、应力) 。它主要从静力学( 静力平衡条件) 、几何学( 位移协调条件) 、物 理学( 胡克定理) 三方面对结构进行分析，对应的力学知识主要为材料力学、结 构力学、弹性力学。由于结构的不同，静力分析分为线性分析和非线性分析如大 变形、塑性、蠕变、接触分析等4 j 。传统的结构分析方法往往局限于简化条件 下，用解析法求解问题，即将产品简化为许多便于计算的“平面结构”或进行截 断，分解成单个零件，在运用材料力学、弹性力学等相应的理论进行分析，从中 得出一些计算公式，按照公式计算各处的参量，由于计算模型构造得非常简单， 计算结果往往与实际情况相差很大。 随着数学工具和计算机技术的普及和发展，人们发现另一种求解途径一一有 限元法。实践证明，有限元法是一种非常有效的数值方法。在有限元分析过程中， 模型处理、载荷及边界条件，单元网格的划分是关键环节，其处理方法的直接影 响计算结果的精确度。 本章采用有限元分析软件a n s y s 对现场端面车床的刀架系统的转臂、主轴 及整个刀架系统进行有限元建模，通过研究结构的应力场、位移场同时分析模型 处理和计算结果的精度，综合衡量现场端面车床刀架系统的转臂、主轴及整个刀 架系统的静态刚度和强度，然后对其结构进行改进。 2 2 静力分析有限元方法 有限单元法( f e m ) 是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具，它的 的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元 之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。有限单元法的 基本步骤如下： 1 结构的离散化 结构离散化是将分析的对象划分为有限个单元体，并在单元上选定一定数量 的点作为节点，各单元体之间仅在指定的节点处相连。单元的划分，通常需要考 虑分析对象的结构形状和受载情况。 一 2 位移模式的选择 有限单元法是以节点位移为基本未知量，所以为了能用节点位移表示单元体 的位移、应变和应力，在分析求解时，必须对单元中位移的分布做出一定的假设， 8 硕十学位论文 即选择一个简单的函数来近似地表示单元位移分量随坐标变化的分布规律，这种 函数称为位移模式。 位移模式的选择是有限单元法分析中的关键。由于多项式的数学运算比较简 单易于处理，所以通常选用多项式作为位移模式。多项式的项数和阶数的选择一 般要考虑单元的自由度和解答的收敛性要求等。 根据选定的单元位移模式，用节点位移来表达单元中任一点的位移，其矩阵 形式为： 【厂】。= 【】 】。 ( 2 1 ) 式中：【州。为单元内任一点位移；【】为形函数，它反映了单元的位移形态；【】。 为单元节点位移，【】。j ，赴 ，子矩阵【今】= l ：l ，和v j 为该节点两个位移 分量。 3 单元的力学特性分析 ( 1 ) 通过几何方程建立单元应变与节点位移的关系式： 【】= 【】8 ( 2 2 ) 式中：【】为单元应变；【b 】为应变矩阵。 ( 2 ) 利用物理方程导出单元应力与节点位移的关系式： 6 】_ 【d 】( 卜 。】) ( 2 3 ) 式中：【o 】为单元应力；【d 】为弹性矩阵；【。】为单元温度初应变。 ( 3 ) 由虚功原理推出作用于单元节点力与节点位移之间的关系式及单元的 刚度方程： 【f 】。= m b n a 】厅出砂 ( 2 4 ) 【k 】。= m b n d p 而出砂 ( 2 5 ) 式中： ，】。为单元节点力； k 】8 为单元刚度矩阵；办为单元厚度。 4 等效节点力的计算 分析对象经过离散以后，单元之间仅通过节点进行力的传递，但实际上力是 从公共边界上传递的。为此，必须把作用在单元边界上的表面力，以及作用在单 元体上的体积力、集中力等根据静力等效的原则全部移至节点上，移至后的力称 为单元等效节点力，计算公式如下： pl 。= k 】。【】。 ( 2 6 ) 9 现场端而下床刀架系统的结构优化研究 式中： f 。为单元等效节点力。 5 建立整体结构的平衡方程 建立整体结构的平衡方程就是把所有单元的刚度矩阵集合形成一个整体刚 度矩阵，同时将作用于各单元的等效节点力集合成整体结构的节点载荷向量。从 单元到整体的集合过程主要依据两点：一是所有相邻的单元在公共节点处的位移 相等，二是所有各节点必须满足平衡条件。整个结构平衡方程如下： pl = k 】【】 ( 2 7 ) 式中：f f 1 为整个单元组合体的节点载荷列矩阵，它包括总的外载荷【f 】( 集中 力、面力、体力) 以及总的温度力 9 】即 f 1 = + 【8 】 ( 2 8 ) k 】为总刚度矩阵，它由各单元刚度矩阵【k 】8 按一定的规则叠加而成；【】为整个 单元组合体的节点位移列矩阵，若一共有以节点，则【】_ 【。，：，。】1 ，子 厂。1 矩阵【卜k i 。 l fj 6 求解未知的节点位移及单元应力 通过引入边界约束条件对整个结构平衡方程( 2 8 ) 加以适当的变形之后， 方可求得整个单元组合体的节点位移列矩阵【】，即可求得【】。，然后根据公式 ( 2 2 ) 求得单元应变【】，最后根据公式( 2 3 ) 求得单元应力【6 】。 2 3 有限元分析软件a n s y s 简介 a n s y s 软件是融结构、流体、电场、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， 它能与大多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高 级c a d 工具之一副。 a n s y s 软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有 限元模型；分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非 线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场 的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力； 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显 示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以 图表、曲线形式显示或输出，软件提供了1 0 0 多种的单元类型，用来模拟工程中 的各种结构和材料。 l o 2 4 现场端面车床刀架系统的结构特点 现场端面车床川架系统是由转臂、主轴、平衡块、燕尾滑板、z 轴周定燕尾、 x 轴电机、x 轴丝杠、x 轴螺母、z 轴电机、z 轴丝杠、z 轴支架等部件组成。 主轴电机通过齿轮传动带动主轴绕z 轴转动，转臂在主轴键连接的作用f 绕z 轴转动，x 轴电机通过x 轴丝杠带动z 轴固定燕尾沿x 轴运动，z 轴电机通过 z 轴蝗杠带动燕尾滑板沿z 轴运动。其结构简图如图2 l 所示。 图21 刀架系统结构简图 2 5 转臂结构的有限元静力分析 转臂是现场端面车床的主要部件，由主轴带动其完成土运动承受主切削力， 其上有刀架( 燕尾滑板) ，是直接承载结构转臂的刚度和强度对整个刀架系统 的刚度和强度有很大的影响，对现场端面车床的加上精度产生直接的关系，研究 转臂有着重要的意义。其有限元静力分析如f ： 251 转臂结构有限元建模 2511 模型处理与简化假设 转臂的材料为2 0 # 钢，材料各项同性、介质均匀，总重量为3 0 2 k g 。取其弹 性模嚣e = 2 0 0 g p a ，泊松比p = o 3 ，密度p = 0 0 0 7 8 5 9 ，m m ”“1 。在建立模型时做 了如r 处理： ( 1 ) 建模为r 获得均匀的有限元网格，对转臂的圆角、小凸台、键槽结构 做了简化处理。 ( 2 ) 建模时利用s o l j d w o r k s 进行实体建模，所建的实体模型与实际结构形 ：! 丝型塑! ：竖窒竺童竺墼篁丝垡些竺奎 状和尺寸举奉致，保证r 汁算的精度。 ( 3 ) 将在s o d w o r k s 中牛成晌转臂模型存储为+ xl 格式，a n s y s 软件利 用i m p o n 命令自动识别和导八- x t _ 二维实体数据格式，从而实现s o 】i d w o r k s 和 a n s y s 的数据传递。 251 2 网格划分 转臂是由厚度d = 3 0 一6 0 m m 钢板焊接而成，根据实际模型，可选择壳单元和 体单兀溉f 划分，或全部使用篡维体单元划分。考虑到板厚较人，而且空间结构 4 ；规则，若使用壳甲元和体甲元混合划分，有耻兀叫格模型微复杂，旧此全部使 二维体啦冗划分。选择s o l i d l8 7 单儿划分，法尊元为二次l o 节点心面体单 兀，特别适合小规则有限兀刚格的划分，如：那些从c a d ，c a ml l 导入的复杂 零件。划分时，采_ l f j 细化水平为4 级的自由刚格划分，并d 一转臂的载荷施加节点、 拐角，轴孔处进行了细化水平为l 级的网格加密。网格划分完成后，利用程序提 供的刚格检查功能检查删格的质鲑。转臂单元数为7 8 6 8 个节点数为1 4 8 9 6 个。 转臂的铂限儿网格如图22 所示。 ：强 图22 转臂的有限元模型 2 51 3 施加边界条件与载荷 埘 静山分析，必须限制模，啦的川体位移，选掸对转臂的轴孔中心处进行全 约束，由于转惜的外力对轴孔中心的力矩之和山零，限制轴孔中心的z 向旋转 自f | _ i 度对计算无影响，但实际约束是，“生在轴孔的键侧 的，而四面体单元 s ol l d l8 7 的节点没有旋转刚度，所以把轴孔的键侧简化了，最后直接在轴孔而 施加x ，y ，z 三个方向的移动白由度。这样会n 约束的轴孔处产十一附加扭矩 使局部应力增大，但对远端的应力计算没有很大影响。 本文主耍研究转臂：作时切削力作用f 的变形，对于转臂及燕尾滑板白重引 起的变形暂不考虑。法兰密封面的表面平面度是影响密封性能的重要囚素之一， 所以现场端面车床在修复法兰密i = 寸面时，采用粗车半精牟精车的工作方 式，以获得光整的