TK6920型数控落地镗铣床主轴箱及立柱有限元分析与研究.pdf

T K 6 9 2 0 型数控落地镗铣床主轴箱及立柱有限元分析与研究 T h eF i n i t eE l e m e n tA n a l y s i sa n dR e s e a r c ho ft h e T y p eT K 6 9 2 0 o fN C B o r i n ga n dM i l l i n g M a c h i n eS p i n d l eB o xa n dM a c h i n eC o l u m n 2 0 11 年4 月 主席 挎计 委员 JI 扎 幽 导师 勇琏 巧麟蝴 名硝酝机黜彬驴 触蝣吲嫂碍 名眦姻秀 髅弼 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果 据我所知 除了文中特别加以标志和致谢的地方外 论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得金旦巴王些盔堂或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签字 涨怒岛雀字日期 扣ff 年够月z q B 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目巴王些太堂有关保留 使用学位论文的规 定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被 查阅或借阅 本人授权金胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内 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 汇 编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文者签名 涨Y 腔 签字日期 知fJ 年午月诉日 学位论文作者毕业后去向 工作单位 通讯地址 导师签名 签字E t 期 2 0 序4 月2 f 日 电话 邮编 T K 6 9 2 0 型数控落地镗铣床主轴箱及立柱有限元分析与研究 摘要 有限元方法是现代工程设计的一种辅助工具 有限元及结构优化等C A E 技 术的应用 对缩短产品开发设计周期 降低产品制造成本具有重要的意义 本 文以T K 6 9 2 0 大型数控落地镗铣床的主轴箱与立柱为主要研究对象 利用有限元 分析软件A N S Y S 作为分析工具 对其进行分析及优化 主要工作如下 运用三维软件建立了T K 6 9 2 0 型数控落地镗铣床整体的三维模型 采用有限元软件建立了主轴箱及立柱的有限元计算模型 并进行了主轴箱 及立柱的静态刚强度分析 计算了主轴箱及立柱的应力和变形情况 结果表明 主轴箱及立柱的强度较好 变形较小 有足够的抵抗破坏的潜力 可以得到较 高的加工精度 通过模态分析 计算了主轴箱及立柱的l 至1 0 阶的固有频率和振型 分析结 果表明 主轴箱的第1 阶固有频率较低 相邻阶次的固有频率差别较大 分析中 得到的十阶固有频率来看 立柱的固有频率以整体振型居多 这说明立柱结构 结构尺寸比较均匀 内部筋板布置较为合理 在相邻阶的频率变化很小 立柱整体的刚度较好 而最大振型出现在第九第十阶 其振幅也较大 振型比 较明显 上端振幅较大 振型明显 将有限元方法和优化技术相结合 对主轴箱结构应用两种实用 高效的优 化设计方法进行以减重为目标的优化 关键词 主轴箱 立柱 有限元方法 静力分析 模态分析 优化设计 T h eF i n i t eE l e m e n t A n a l y s i sa n dR e s e a r c ho f t h eN C B o r i n ga n dM i l l i n g M a c h i n e S p i n d l eB o x a n dM a c h i n eC o l u m n A B S T R A C T F E A F i n i t eE l e m e n tA n a l y s i s i sa ne f f i c i e n td e s i g nt o o li nm o d e r n e n g i n e e r i n ga n a l y s i sa n dd e s i g n T h ea p p l i c a t i o no fF i n i t eE l e m e n tA n a l y s i sa n d s t r u c t u r eo p t i m u me t cC A E t e c h n o l o g yi ss i g n i f i c a n ti ns h o r t e n i n gt h ep e r i o do f p r o d u c t i o nd e v e l o p m e n t r e d u c i n gt h ec o s to ft h em a n u f a c t u r ea n di m p r o v i n gt h e e n t e r p r i s e Sc o m p e t i t i o n T h eT K 6 9 2 0N CB o r i n ga n dM i l l i n gm a c h i n es p i n d l eb o x m a c h i n ec o l u m ni st h er e s e a r c ho b je c to ft h i sp a p e r T h es p i n d l eb o x e sa n dm a c h i n e c o l u m na r er e s e a r c h e dw i t hg e n e r a lf i n i t ea n a l y s i ss o f t w a r eA N S Y S T h eN C b o r i n gm a c h i n es o l i dm o d e l sh a v eb e e nb u i l tt h r o u g h3d i m e n s i o n S O f t w a r e T h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l so fs p i n d l eb o x e sa n dm a c h i n ec o l u m nh a v eb e e n p r o p o s e db a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e T h es p i n d l eb o xa n dm a c h i n e c o l u m nd i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sh a v e b e e nc o m p u t e d T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e i n t e n s i t yo fs p i n d l eb o xa n dm a c h i n ec o l u m na r eg o o d t h e r ea r ee n o u g hp o t e n t i a lt o r e s i s tb e e nd e s t r o y e d t h es p i n d l eb o xh a ss m a l ld i s p l a c e m e n ta n dc a n g e th i g h m a c h i n i n ga c c u r a c y T h em o d a la n a l y s i sh a db e e np e r f o r m e d T h er e s u l t se x p r e s st h a tt h es p i n d l e b o xa n dm a c h i n ec o l u m nn a t u r a lf r e q u e n c yi ss m a l la n dt h en e i g h b o ro r d e r f r e q u e n c i e si sn o t a b l yd i f f e r e n t W i t hc o m b i n a t i o no fF E Aa n d o p t i m i z a t i o nd e s i g n r e d u c i n gt h es p i n d l eb o x S w e i g h ta st h eo p t i m u md e s i g nw i t ht w op r a c t i c a la n de f f i c i e n to p t i m i z a t i o nd e s i g n m e t h o d S K e yw o r d s S p i n d l eb o x M a c h i n ec o l u m n F E A S t r e s sa n a l y s i s M o d a la n a l y s i s O p t i m i z a t i o nd e s i g n 致谢 本论文是在导师江擒虎副教授和夏链副教授的悉心指导下完成的 值此论 文完成之际 我要衷心地感谢我尊敬的导师 感谢导师在我硕士学位论文的选 题 项目中期的工作以及项目后期修改及项目完成时所给我的耐心详尽的指导 在近三年的研究生学习期间 通过各位老师的悉心关怀 我学到了许多知识 在我近三年的硕士阶段 衷心的感谢导师在学习上和生活上给与的关怀与帮助 我将永远铭记在心 衷心感谢C I M S 研究所韩江教授 翟华副教授和何高清老师 余道洋老师 丁志老师等对我的帮助和关怀 衷心感谢所有给我上过课的老师 他们的孜孜不倦的诲人精神给我了深刻 的印象 并使我学习了丰富的知识 衷心感谢我的同学及C I M S 研究所的各位同学 和他们在一起的学习和生 活时光将值得我永远纪念 衷心感谢师弟师妹等给予我的帮助 也要感谢项目组的各位同学 他们的帮 助给了我极大的支持 使我有信心去完成工作并且出色的完成了各阶段的工作 芜湖恒升重型机床股份有限公司的潘康健工程师 杨荷妹工程师 蒋政武工程 师及各位领导也在做项目期间给予了大力支持 在此表示感谢 同时也感谢在 论文的写作期间给过我帮助的各位同学和朋友 最后还要特别感谢我的父母 是他们不辞劳苦 任劳任怨的辛勤付出以及 对我精神和物质上的强大支持 使我最终得以完成学业 再次感谢所有曾经给予我帮助的人 作者 张忠链 2 0 11 年4 月 目录 第一章绪论 1 1 1 数控镗铣床的生产及研究现状 1 1 1 1 国内外生产现状 l 1 1 2 国内外研究现状 2 1 2 研究内容的来源与研究意义 4 1 3 本文的研究内容和流程 4 1 4 本章小结 5 第二章大型数控镗铣床设计分析理论及基本方法 6 2 1 基于C A D 的分析设计思路 6 2 1 1 关于建模分析软件及其应用 6 2 1 2 建模软件的选择 7 2 2 有限元分析软件简介 9 2 2 1 组成及技术特点 9 2 2 2 有限元分析软件介绍 l l 2 3 本章小结 1 4 第三章主轴箱的建模与分析 1 5 3 1 数控落地镗铣床简介 1 5 3 1 1 T K 6 9 2 0 主要技术参数及结构特点 1 5 3 2 主轴箱箱体的受力分析 1 8 3 3 主轴箱箱体有限元模型的建立 2 3 3 3 1 主轴箱箱体离散化模型的建立 2 3 3 3 2 定义边界约束条件 2 4 3 3 3 网格的划分 2 4 3 4 主轴箱有限元静力结果与分析 2 5 3 4 1 主轴箱刚度分析 一2 6 3 5 本章小结 2 7 第四章主轴箱的动态性能分析 2 8 4 1 模态分析的基本思想 2 8 4 1 1 模态分析的理论介绍 2 8 4 1 2 模态分析的计算 2 9 4 2 约束的施加 3 0 4 3 模态分析的结果及分析 一3 0 4 4 本章小结 3 2 第五章主轴箱的优化 3 4 5 1 优化设计的基本思想和方法 3 4 5 2 主轴箱优化方法的选择 3 6 5 2 1 方案一 主轴箱壁厚的优化 3 6 5 2 2 方案二 约束的改变 3 7 5 3 优化的结果与结论 4 0 5 4 本章小结 4 1 第六章立柱的有限元静态与模态分析 4 2 6 1 立柱的静态分析 4 2 6 1 1 立柱的建模及受力分析 4 2 6 1 2 立柱的受力分析 4 3 6 1 3 立柱的约束 4 3 6 2 立柱的模态分析 4 6 6 3 立柱的分析结果 4 6 6 4 本章小结 4 9 第七章总结与展望 5 0 7 1 总结 5 0 7 2 展望 5 l 参考文献 5 z 攻读硕士学位期间发表的论文 5 5 插图清单 图1 1 研究分析流程 5 图2 I A n s y s 模块化结构 13 图2 2S 0 1 i d W o r k s 与A N S Y S 之间数据的转换图 13 图3 1 T K 6 9 2 0 数控镗铣床三维模型 1 6 图3 2 主轴箱箱体示意图 1 7 图3 3 主轴箱箱体的简化模型 18 图3 4 箱体受拉力作用图 1 9 图3 5 箱体受拉力位置示意图 2 0 图3 6 铣削抗力对铣轴的作用力 2 0 图3 7 铣削抗力对主轴箱的作用力 一2 1 图3 8 滑枕装配体受力示意图 2 l 图3 9 主轴箱对滑枕作用力分析图 2 2 图3 1 0 立柱对主轴箱箱体的作用 2 2 图3 1 1 1 8 5 单元8 节点应力输出 2 4 图3 1 2 主轴箱约束示意图 2 4 图3 1 3 主轴箱位移云图 一2 7 图4 1 主轴箱前1 0 阶模态 3 2 图5 1 优化数据流向 3 6 图5 2 主轴箱壁厚编号 3 7 图5 3 增加约束时主轴箱的位移云图 3 9 图5 4 增加约束后主轴箱前四阶模态云图 4 0 图6 1 立柱三维模型 4 2 图6 2 立柱离散化模型图 4 3 图6 3 立柱的约束加载离散模型图 4 4 图6 4 应力分析结果如图所示 4 5 图6 5 立柱的应力分布云图 4 5 图6 6 立柱前十阶模态云图 4 9 表格清单 表3 1 T K 6 9 2 0 型数控落地镗铣床其主要参数 1 5 表3 2 H T 3 0 0 材料性能 2 3 表4 1 模态提取的方法 2 9 表4 2 主轴箱前l O 阶频率 3 0 表5 1 壁厚变化表 3 8 表5 2 优化后主轴箱的变形及重量 3 8 表5 3 选型优化的壁厚并增加约束的位移变化 3 8 表5 4 优化前后主轴箱前十阶模态对比 4 1 表6 1 立柱模态分析结果 一4 6 第一章绪论 1 1 数控镗铣床的生产及研究现状 1 1 1 国内外生产现状 高档数控机床 1 1 是先进制造技术及其产业发展的支撑 是工业现代化的 基石 在当今国家大力发展装备制造业的背景下 机械制造业的很多领域都需 要高档数控机床和基础制造装备来进行对它的零件进行加工制造 因而 大力 发展先进数控加工设备具有基础性 战略性意义 我国的数控机床行业及加工制造业经过最近二十多年的飞速发展 已经成 为世界上规模数量较大的数控机床生产国之一 国内的数控机床行业及加工制 造业已近在世界上占有一席之地 数控机床的国际市场占有率也飞速提升 并 且正在大力进行自主开发一系列以前受制于国外 长期依赖进口的高档数控机 床 近年来每年都在开发研制制造业急需的数控机床约一百多个品种系列 纳 米精密度的曲轴加工 磨床等 随着一大批机床相关企业的崛起 国内市场占 有率明显提高 而且部分企业还兼并了国外的知名企业 获得了优秀的人才和 知识产权 我们国内和国外的这样一些优势的资源相结合 打开国内和国际的 市场 提高了竞争力 创造了一个很好的平台 研制和应用高精尖大型数控机床 是世界机床行业当今的主要发展趋势 伴随着制造业对数控加工高精度高速度的要求 高精度机床的研究也不断深入 数控高精度机床不仅要有高的主轴转速和进给速度 其加工能力 精度和效率 等技术要求越来越高 目前 世界上大型数控机床 尤其是数控镗铣床的主要 生产厂商有德国的S c h a r m a n n 公司及W a l d r i c hC u b u r g 公司 意大利的I n n s e 公 司及M a n d e l l i 公司 西班牙的B o s t 公司及D a n o b a t 等公司 德国的S c h a r m a n n 公司生产的滑枕式镗铣中心 其静压轴承的转速最高达到1 2 0 0 0 r m i n X 轴快 速移动速度可以达到2 5 m m i n 并且现在国外镗铣床的发展趋势是其各种附件 功能均由滑枕完成 无镗轴高速加工中心 并且滑枕导向结构采用线性导轨 直线电机驱动 2 3 4 由于国内数控技术起步较晚 因此 数控机床 尤其是我国的大型数控机 床技术薄弱 我国机床产品的技术水平还有待提高 目前 国内数控机床虽然 由于市场需求的拉动和国家科技计划引导与支持 我国中高档数控机床的开发 也取得较大的进展 在五轴联动 高速加工 复合加工 超精加工和数字化设 计等关键技术上取得了一定的成绩 有了突破 但是距离高新技术和国防工业 领域 重大装备制造领域及国民经济支柱领域的发展要求还有相当大的差距 为了改善这种状况 掌握和应用先进的机床设计方法和设计理念就显得尤为重 要 我国机床工业竞争力的提高也就取决于机床新产品的开发和关键技术的研 究 应用和迅速推广 我国从试制成功具有自主知识产权的第一台五轴联动数控龙门镗铣床以 来 数控机床行业得到了飞速的发展 国内主要机床生产厂家有沈阳第一机床 集团 济南二机床集团有限公司 大连机床股份有限公司 武重机床有限责任 公司 齐齐哈尔二机床集团有限责任公司 芜湖恒升重型机床股份有限公司 北京一机等大型机床厂 就数控镗铣床来说 近几年 国内落地式数控铣镗床水平有明显的提高 但是 与国外产品还有较大差距 国家的 十一五 计划重点强调了数控镗铣床 行业的重要性 数控落地式镗铣床已列为国家振兴装备制造业 数控机床发展 专项规划 是我国重点扶持的行业 4 1 随着我国技术水平的提高和加工水平 的发展 数控铣床的产品朝着大型化 自动化发展也越来越快 目前 我国大 型机械 工程机械 汽车 船舶 钢铁 军工等工业迅速发展 对大型数控镗 铣床的需要也越来越大 我国的数控镗铣床行业有着广阔的前景 大型数控镗 铣床机 作为高档数控机床的一个类别 能够广泛应用于军工 航空 石化 航天等行业的生产制造中均有广阔的应用前景 1 1 2 国内外研究现状 上世纪5 0 年代起 随着计算机技术的发展 计算机辅助分析设计技术广泛 应用 有限元方法开始逐步应用于工程实践 国外的机床结构设计及优化领域 的研究较多 在结构优化 有限元分析 参数化设计方面都有很多的研究 国外机床专家及学者如美国C a t h o l i c 大学G B i a n c h i L o w a 州立大学的 J M V a n c e 与I S U 研究中心的T P Y e h M i c h i g a n 大学的T j i a n g 和M C h i r e d a s t 已经提出了关于机床设计与分析的几种方法 5 儿6 J 7 J 1 采用虚拟现实技术动态设计与控制想结合 设计与分析平行 应用 C A D C A E 等技术来进行机床结构的设计及优化 虚拟试验代替实物试验 在 多方案的设计中进行分类 比较 选择优化最好的设计 避免其设计的盲目性 提高产品一次成品率 2 运用三维数字数学模型来模拟机床零部件结构 以有限元法和动态分析 法为基础 建立整机的模型并对机床结合面的连接件进行分析及拓扑优化 3 利用有限元软件分析机械结构 进行全程参数化设计 使结构优化的思 想用于设计的各个阶段 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 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 因而得以广 泛运用 国际上一些大公司研制了不少的C A E 软件 如A N S Y S 公司的A N S Y S 有限元分析软件 U G 公司的I d e a s 软件等 从而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 国内的机床结构优化设计主要是侧重在刚度和强度分析设计方面 机床结 构优化设计的内容包括静力学 结构非线性分析 拓扑优化 模态分析 动力 2 用主要有以下几个 的应力和应变的及 态及相互作用时接 触面的受力情况 3 热应力分析 用于研究机床各部件及结构等内部温度的情况及其所受 的热应力状况 4 谐响应分析和瞬态动力学分析 研究周期和非周期载荷的对机床对动 态的响J 壶 上海交通大学有关研究人员在高速立式加工中心模态分析及结构优化设计 一文中文通过对高速立式铣床X H 7 8 6 A 的结构进行模态分析 并和模态实验数 据进行对比 修正了零 部件的C A D C A E 模型 在对原整机有限元模型进行 分析的基础上 对机床主要零 部件筋板布局形式做了优化设计 提高整机的 动 静态性能 采用动 静态结合的设计方法对数控铣床的整机及主要零 部 件进行优化设计 在大型有限元分析软件A N S Y S 平台上 利用基于元结构和 框架尺寸优化的理论 对床身和立柱进行了优化设计 并取得了较好的效果 对整机有限元模型进行了动静态分析 根据振型找出影响机床动静态特性和加 工精度的薄弱环节 以体积为约束 结构柔顺度为目标函数对此薄弱环节进行 了拓扑优化 得到了较好的优化结果 8 华中科技大学有关研究人员在E Q D l 8 高速数控加工中心的设计与分析一 文中分析了对加工对机床的性能要求 针对E Q D l8 设计中的若干里要问题进行 研究 在结构设计中采用了全新的结构型式 在保证机床的刚性足够的情况下 保证运运动惯量最小 高速 高加速度的要求对运动件进行惯量分析和计算 对加工中心整体进行有限元分析 提出一种用自定义单元处理结合面刚度的方 法 确定了加工中心静刚度 振动频率和动刚度的理论值并提出一些机床改造 的措施p J 东南大学有关研究人员在机床主轴系统热特性建模分析及结构优化设计一 文中在分析机床主轴系统内部热源 边界条件的基础上 建立了机床主轴系统 温度场的有限元模型 基于有限元法对两类机床主轴系统温度场进行了详细的 分析 大连理工大学有关研究人员利用有限元法通过对沈阳机床集团V T M l o l o 立 式车铣复合加工中心设计的研究 对整机进行数字化设计仿真及动力学仿真 在沈阳机床集团V T M l o l o 立式车铣复合加工中心设计的基础上 对整机进行数 字化设计仿真及动力学仿真 得出实际可行的机床设计方案 根据立式车铣复 合加工中心的结构特点 将部件模型进行虚拟装配 完成整个加工中心的虚拟 3 装配模型 根据加工中心虚拟建模层次关系 模型建立后 对模型进行静态和 动态分析 根据分析的结果及以前设计的经验 对结构不合理的地方进行改进 设计 通过有限元分析软件A N S Y S 对模型进行了静态仿真分析 然后将模型 无缝导入到A n s y s 软件中 对机床整机及各重要大件的静态及模态进行分析 对建立微分方程组 通过计算分析 求解各个部件动力响应等 然后根据各个 子结构之间的力平衡条件和位移条件将各子结构模态特性综合 得到整体结构 特性得出实际可行的机床设计方案 0 1 综上所述 随着有限元技术的发展及广泛应用 各高校 研究机构及企业 正在越来越多的将有限元方法应用于机床的结构设计研究 并以此提高了机床 结构设计的效率和质量 1 2 研究内容的来源与研究意义 合肥工业大学C I M S 研究所与芜湖恒升重型机床股份有限公司共同承担安 徽省 十一五重大科技攻关计划 一一大型数控落地镗铣床研究与开发 本文 研究的内容就是针对此项目而开展的 以T K 6 9 2 0 型数控镗铣床的最重要的两 个结构大件一一主轴箱和立柱 使用C A D F E A 等现代流行的机床设计方法 对两个重要零部件进行结构及性能的研究和分析 并以此为基础 对主轴箱提 出了结构优化的方案 并提出了一种新的增加约束的方法实现主轴箱的优化 从而为该型号机床的设计及产品的更新提供理论依据并提出一条优化机床结构 优化的路径 减少了设计的盲目性 提高了设计质量 并提供了实际生产中的 理论数据 1 3 本文的研究内容和流程 综合有限元优化设计研究的方法 本文首先针对大型数控落地镗铣床最重 要的部件一一主轴箱进行分析模型的建立 然后通过B l o c k l a n c z o s 法计算出动 态特性 得到其前1 0 阶固有频率和振型 运用有限元的方法进行减重及优化分 析 通过改变约束的方法 对主轴箱进行分析 分析了优化前后主轴箱在实际 工况下的受力及变形 本文综合运用有限元及优化设计研究的方法 首先针对大型数控落地镗铣 床最重要的部件一一主轴箱进行分析模型的建立 对其刚度和强度和静力分析 然后通过B l o c k l a n c z o s 法计算出动态特性 得到其前1 0 阶固有频率和振型 运 用有限元的方法进行减重及优化分析 通过改变约束的方法 对主轴箱进行分 析 分析优化前后主轴箱在实际工况下的受力及变形 在分析计算中 采用计 算机辅助分析与经验设计相结合的方法 依据有限元分析的数据 对该型机床 的主轴箱结构提出优化方案 并对其数学模型进行优化 指导主轴箱的优化并 为主轴箱的优化提供理论依据 对立柱进行动力学和静力学分析 并对立柱进 4 行模态分析 其具体的流程方法 1 采用三维建模软件S o l i d W o r k s 对T K 6 9 2 0 整机及主轴箱及立柱进行基 于初步设计的C A D 三维实体建模 根据实际工作情况及需要 作了进一步合 理的简化后建立有限元分析模型 2 利用A N S Y S 软件建立主轴箱及立柱模型并进行结构静力分析和模态 分析 得出固有频率和振型 并通过分析结果进行比较 3 通过改变其主轴箱的壁厚 约束实现主轴箱结构的改进分析及设计 为主轴箱的改进设计提供依据 4 利用A N S Y S 软件对优化计算后的参数进行模态分析 得出主轴箱结构 的固有频率和振型 对分析结果进行比较和评价 基本研究分析流程如下 图1 1 研究分析流程 1 4 本章小结 本章主要阐述了论文背景 来源与意义以及国内外数控镗铣床发展及设计 技术现状 提出了用有限元方法进行机床设计和改进的以及优化设计的方法 建立约束的新思路 最后 列出了论文的主要研究内容方法及流程 第二章大型数控镗铣床设计分析理论及基本方法 2 1 基于C A D 的分析设计思路 计算机辅助设计现已广为人知 有关的资料很多 下面就与大型数控镗铣 床设计研究设计有关的技术做简单介绍 C A D I l l C o m p u t e rA i d e dD e s i g n 是指 整个设计过程通过计算机系统完成 抛弃传统设计中对设计者任务的要求 参 考己有经验和资料程 完全使用计算机进行资料检索 方案构思 零件造型 工程分析 工程制图 文档编制等 最后设计出满足要求的方案 并绘出图样 和编制设计文件 计算机辅助设计现已在工程设计领域广泛应用 下面就与大型数控镗铣床 设计研究设计有关的技术做简单介绍 C A D 1 2 1 C o m p u t e rA i d e dD e s i g n 是指设 计过程的主要分析计算通过运用计算机及相关软件来进行 改变传统设计模式 使用计算机及软件进行资料检索 方案构思 零件造型 工程分析 工程制图 文档编制等 以实现高质量的设计 关于机械结构的计算机辅助设计主要包括 概念设计 优化设计 有限元 分析 计算机仿真 计算机辅助绘图 计算机辅助设计过程管理等 现在的C A D 已成为一门综合性应用新技术 主要涉及到以下基础技术 1 图形处理技术 2 数据管理与数据交换技术 3 图文信息处理技术 4 有关的软件开发与运 用技术 C A D 的应用使现代设计及制造有了新的技术支撑平台 相对于传统的设计 方法 面向工程的现代C A D 技术主要有有以下几个特点 1 3 1 减少设计者的工作量 提高了工作效率 缩短新产品的设计周期 2 可以对各种方案进行比较与最优 选择出最优方案 并可以在生产前 其进行预测 生产时进行改进 3 由于使用有统一的参数化 有利于产品的系列化 标准化和通用化 加速产品研发过程 4 有利于零部件后续的C A M 的运用 通过C A D C A M 集成化 实现产 品设计和制造的信息一体化 2 1 1 关于建模分析软件及其应用 现将目前机械行业比较流行的C A D 软件介绍如下 1 A u t o C A D 1 4 A u t o C A D 是由美国A u t o d e s k 欧特克公司于二十世纪八十年代初为微机上 应用C A D 技术 计算机辅助设计 C o m p u t e rA i d e dD e s i g n 而开发的绘图程序 软件包 经过不断的完善 现已经成为国际上广为流行的绘图工具 A u t o C A D 以A C I S 4 0 为三维实体建模核心 增强了三维功能 支持视口缩 放和三维动态旋转 有比较完善的二维设计环境 且使三维模型的操作和可视 6 化变得方便可行 能极大提高结构设计效率 通过A u t o C A D 的设计中心 充 分利用已有设计资源中的设计思想和设计内容 可以方便地访问已有的设计成 果 通过拖放操作可以复制一个设计环境中的线型 标注样式 文字样式 布 局和剖面线图案到另一设计环境 从而避免重复性工作 A u t o C A D 提供了4 种 二次开发工具 即V B A V i s u a ll i s p A c t i v e X 和o b j e e tA R X 允许用户借助 A u t o C A D 平台集成或定制某一领域的设计过程以适应用户设计的特殊要求 2 U n i g r a p h i c sN X 通称U G U G U n i g r a p h i c sN X 是S i e m e n sP L MS o f t w a r e 公司出品的一个产品工 程解决方案 它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段 U n i g r a p h i e sN X 针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求 提供了经过实践 验证的解决方案 如今制造业所面临的挑战是 通过产品开发的技术创新 在持续的成本缩 减以及收入和利润的逐渐增加的要求之间取得平衡 为了真正地支持革新 必 须对若干可行设计方案进行评价比较 而且在开发过程中必须根据以往经验中 所获得的知识更早地做出关键性的决策 而U G 在此方面有较大的优势 可以 通过过程的改变来驱动产品的系统性开发 3 S o l i d W o r k s S o l i d W o r k s 1 6 为达索公司集团为制造企业提供系统及生产相关的服务 该 集团提供涵盖整个产品生命周期的系统 包括设计 制造 工程和产品数据管 理等各个领域中的软件系统 著名的C A T I A V 5 就出自该公司之手 S o l i d w o r k s 软件组件繁多 功能强大 易学易用和技术创新是S o l i d W o r k s 的三 大特点 使得S o l i d W o r k s 成为主流的 领先的三维C A D 解决方案 S o l i d W o r k s 能够提供不同的设计方案 减少设计过程中的错误以及提高产品质量 4 P r o E n g i n e e r P r o E n g i n e e r t1 7 操作软件是美国参数技术公司 P T C 旗下的 C A D C A E C A M 一体化的三维软件 P r o E n g i n e e r 软件在目前的三维造型软件 领域中占有着重要地位 以参数化著称 是参数化技术的最早应用者 P r o E n g i n e e r 作为当今世界机械设计领域的新标准而得到业界的认可和推广 是 现今机械设计行业最主流的三维软件之一 P r o E 是最早提出参数化设计的概 念的C A D C A E 软件 它不但可以应用于单机上 而且也可以应用到工作站 并且采用了模块化方式来解决产品多样性问题 P r o E 基于此特征方式 能够 将设计至生产全过程集成到一起 实现并行工程设计 2 1 2 建模软件的选择 在有限元分析前 我们要对所要分析的零件或者实体建立其有限元离散化 模型 有限元分析的结果的正确性和准确性与所建立的有限元离散化模型的有 着最直接的关系 1 8 因此 我们在建立实际零件或者实体的数学模型时 应该 7 尽量使要建立的实体模型与零部件的实际情况相对应 为了提高有限元分析结 果的可信度与准确性 我们先使用流行的建模软件进行模型的建立 然后通过 A n s y s 良好的接1 3 功能将模型导入到A n s y s 中 而目前较为流行的三维建模设计软件如P r o E N G I N E E R U G C A T I A S o l i d W o r k s 等其建模功能非常强大 且与A n s y s 有良好的接口功能 因此在选 择建模的过程中 我们可以以这些三维设计软件为建模基础平台 通过A n s y s 的接口功能实现有限元离散化模型的建立 随着参数化设计的应用越来越广 传统的基于经验的设计模型及参数确定 的方法已经越来越不能适应现代工程设计的需要 易于修改的特性使参数化成 为现代C A D 系统一个不可或缺的功能 参数化设计几乎应用于现在所有比较 流行的三维设计软件中 所谓参数化设计 主要有以下两个部分构成 参数化 图元及参数化的修改引擎 以构件的形式出现参数化图元 构件不同可以通过 参数的调整反映出来 参数保存了图元作为数字化构件的所有信息 1 9 1 参数化 修改引擎是指用户通过参数更改将自动的在其关联的部分实时反映 并采用智 能视图构件改动 删除尺寸时参数变化会引起相关构件的参数产生关联的变化 并与传播引擎关联 保证所有设计信息的一致性 而不用所有视图进行一一的 修改 这样就大大提高了工作的质量和效率 S o l i d w o r k s 是目前机械行业市场更受喜爱的三维参数化设计软件之一 由 S o l i d w o r k s 公司发布的具有强大功能的三维机械设计软件 其参数化功能强大 S o l i d w o r k s 参数化设计的特性如下 Z U J 1 三维实体模型的物理参数 用S o l i d w o r k s 建立的实体模型可以随进程计算出实际实体模型的质量 体 积等重要的物理参数 修改时可以实时反映各种物理参数 方便用户随时动态 交互方式修改设计方案 2 基于特征的设计 S o l i d w o r k s 的具有参数化特征地实体能够通过对尺寸地改变来进行编辑拉 伸 旋转 倒角等基于特征的三维实体造型工具 能够方便 快捷地创建任何 复杂形状地实体特征作为设计的单元 3 S o l i d W o r k s 强大的参数式设计功能 运用S o l i d w o r k s 强大的参数化设计功能 设计者只需更改三维实体的尺寸 其几何形状及各重要的物理参数就会立刻实时的的变化 这样 在设计中就很 容易以达到设计修改工作的一致 避免发生人为改图纸是照成的的疏漏 并减 少了设计人员时间和精力 减少尺寸逐一修改的繁琐及错误的发生 综合以上S o l i d W o r k s 的优点 本文在机床整体模型建模时采用S o l i d W o r k s 三维设计软件 具体的工作流程及方法如下 首先用S o l i d W o r k s 软件强大的几 何模型建模功能 建立T K 6 9 2 0 大型数控镗铣床的整体装配模型 然后利用 8 S o l i d W o r k s 软件A N S Y S 软件的数据接口程序 将主轴箱的实体模型导入到 A N S Y S 中 在A N S Y S 中进行网格划分 建立主轴箱的有限元模型 然后进行 模态分析等分析计算工作 2 2 有限元分析软件简介 2 2 1 组成及技术特点 有限元法是随着计算机技术发展而发展的用于各种结构分析的数值计算方 法 自问世以来 在其理论和应用研究方面得到了快速持续不断的发展 现在 有限元法已经成为工程设计和科学研究领域中一项重要的分析技术和手段 所谓有限元法 F i n i t eE l e m e n tM e t h o d 就是将连续体离散化为若干个有限大小 的单元体的集合 以求解连续体问题的一种近似的数值计算方法 以变分原理 连续体剖分和分片插值为理论基础 2 经过多年的发展 有限元法已经更加的成熟和完善 有限元法曾经历过力 法和位移法的争论 从直接法到虚位移法的完善 有限元法从简单的静力学分 析 固体 弹性体发展到了动力学分析 场 塑性体 有限元法的应用领域也 愈加广泛 从传统的飞机 汽车 轮船 建筑等固体力学领域延伸到流体和电 磁场领域 除此之外 有限元法还被应用到诸如稳态的 瞬态的 线性的和非 线性的应力分析以及热力学 流体力学 电磁学和高速冲击动力学等问题中 2 2 1 有限元法的主要优点 2 l 是物理概念清晰 容易理解和掌握 实用性强 应用范 围广泛 对复杂结构分析时的工况和边界条件 都可以灵活地加以考虑和简化 处理 有限元法的基本思想就是里兹法加分片近似 2 2 1 就是将物体或者求解域离 散为有限个互不重叠并且通过节点相互连接的子域 原始边界条件就变成了节 点上的边界条件 即离散化 然后在单元内选择近似的函数来分片来逼近未知 的求解函数 即分片近似 建立基于原问题数学模型 基本方程和边界条件 的有限元方程 即刚度方程 从而将微分方程转化为一组以变量或者导数的 节点值为未知的代数方程组 进而借助计算机求解 得到原问题的近似解 显 然 如果划分的子域的增加 自由度也会愈多 计算的精度会不断提高但计算 的时间就会越长 因此 在解决实际工程过程中 离散化的处理只要满足工程 需要即可 2 3 1 有限单元法在分析过程中 首先对所研究的对象 弹性体 离散化 从几 何上把整个弹性体用线或面剖分为有限个单元 在按位移求解的有限单元法中 其解题过程是以节点 单元之间的连结点 位移作为基本未知量 每个单元中 任意点的位移 按一定的函数关系用节点位移来表达 这个表达任意点位移的 函数称为插值函数 它必须满足满足单元之间变形的连续性 即变形偕调条件 此时 单元的变形势能转变为节点位移的二次函数 把荷载的势能也用节点位 9 移来表示 并把整个弹性体的变形势能看成是各个单元的变形势能之和 这样 系统的总势能是弹性体的荷载势能与变形势能之和 也必然是节点位移的二次 函数 再应用弹性力学原理将此问题化转成了普通二次函数的极值问题 并得 到各节点位移 在求得各节点位移以后 就能根据物理方程和几何方程算出各 单元或节点的应变和应力 在计算过程中 弹性体的位移边界条件则在解题时 还必须加以考虑 2 4 有限单元法是一种近似的数值方法 其计算误差主要来源于所采用的力学 计算模型是以有限个单元仅在节点处相连接的组合体代替真实的连续弹性体 也即离散化和位移插值函数 而所选取的位移插值函数是近似拟合单元体内的 位移 不是单元内位移变化的真实情况 但是在合理地选取和划分单元 合理 地选取位移插值函数等条件下 可以减小误差并使用有限单元法的解趋近于精 确解 离散化单元的形式有多种 有三角形单元 四边形单元等平面单元 也有 四面体 棱柱体 任意六面体等三维单元 此外还有梁单元 板单元和壳单元 在盘 1 丁0 有限单元法应用弹性力学中的基本方程包括物理方程 几何方程和最小势 能原理 2 4 1 物理方程确定应力与应变关系 其一般表达式为 6 卜 D 2 1 式中 6 一一应力 D 卜一一弹性矩阵 几何方程确定应变与位移关系 其一般关系为 B 6 2 2 式中f 一一应变 6 一一位移 B 一一几何矩阵 利用最小势能原理 或虚功原理 可得 R K 6 2 3 式中 R 卜一一节点载荷 根据上述有限元的基本思想 其分析的一般步骤如下 2 2 1 结构地离散化 进行有限元分析的第一步就是离散化 离散化就是将结 构划分为有限个单元 让全部单元集合与原结构近似等价 因此 在划分单元 时 二者在几何形体上越逼近越好 特别是在位移和应力急剧变化的地方 2 选择单元位移函数 在有限元法中 需要用单元节点位移通过插值方法 建立单元位移函数 也就是用单元节点位移来描述单元位移 此时单元位移函 l O 数应该满足一定的要求 其合理与否 直接关系到有限元分析的计算精度 效 率和收敛性 所以 单元位移函数的选择是至关重要的 一般而言 单元位移 函数多取为多项式形式 3 单元特性分析 在单元位移函数确定之后 就可以进行单元特性分析 在求出节点位移后 依照应变与位移之间的几何关系 即可求得单元应变 依 照胡克定律就可以求得单元应力 根据虚功位移原理或者最小势能原理 就可 以求得单元刚度矩阵 4 外载荷处理 把结构离散为有限个单元 并经过单元特性分析以后 将 单元联系在一起的是节点 因此需要将外载荷等效移植到节点上 建立节点平衡方程 按照有限元的统一格式 形成如下形式的以节点位移为未 知量的代数方程组 K 万 2 F 其中 K 为由各单元的刚度矩阵组装成的总 fc 1f 仃1 体刚度矩阵 D j 为待求的节点位移列阵 t j 为按节点编号顺序形成的节点载 荷列阵 5 处理边界条件的处理 解算节点位移 在节点上的力平衡方程基础上 还要满足位移的边界条件 按照实际位移边界条件 对平衡方程进行整理后 就可求得单元节点位移 再求出节点位移后 借助软件的后处理功能 以彩色 云图或者图表的形式显示计算结果 在对大型数控镗铣床整体结构设计及对其主要零部件进行结构设计及分析 计算中 为了确定构件在承载时 强度及刚度是否能够达到要求 通常应用结 构力学 材料力学及弹性力学的知识 来分析构件在承受给定外载荷的情况下 构件内部所产生的应力及变形 但是在进行上述力学分析时 由于整体及其主 要零部件在几何形状 约束条件及外载荷作用等方面的复杂性 需要实际情况 作相当多的简化与假设 传统的弹性力学的分析方法相对于材料力学更接近实 际 但难点在于很难找到既满足基本方程又符合边界条件的位移函数或应力函 数 无法求得精确的解析解 2 2 2 有限元分析软件介绍 有限元分析技术已逐步完善和成熟 经过几十年的发展 目前 已有很多 商业化的有限元分析软件系统可供选用 一般情况下 一个完整的商业化有限元分析软件系统在开发时已经完全进 行编译并且自己带有图形处理系统 因此 只要计算机硬件环境和操作系统在 进行有限元分析软件合法安装后 就可以独立使用 一个完整的有限元分析软件包括两个支撑环境和三个组成部分 两个支撑 环境为数据库及数据可视化图形系统 三个组成部分为前处理部分 有限元分 析计算部分和后处理部分 有限元分析的应用软件产品分为三类 1 通用有限元分析软件 如 N A S T R A N M A R C A N S Y S A B A Q U S