基于有限元的高速龙门五轴加工中心动静态优化设计

3 6 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi ne r y De s i g n Ma nu f a c t u r e 第 l 2期 2 0 1 1 年 1 2月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 1 2 0 0 3 6 0 2 基于有限元的高速龙 门五轴 Y 中心动静态优化设计 术 张 磊谢志坤李 焱史科科高柏宏 沈阳机床集团设计研究院 沈阳 1 1 0 1 4 2 Op t i mi z e d d e s i g n f or s t a t i c an d d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f h i g h s p e e d 5 a x i s g a n t r y t y p e ma c h i n i n g c e n t er b a s e d o n F EM ZHANG Le i XI E Zh i ku n LI Ya h S HI Ke k e GAO Ba i h o n g D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e S h e n y a n g Ma c h i n e T o o l G r o u p S h e n y a n g 1 1 0 1 4 2 C h i n a 十 t l 十J t 十 1 谴 一 十 十 毒一 十 一 十 q e 一 4 q 十 e 毒 十 十 十 e十 毒 1 b 一 斤 十4 t 摘要 高速龙门五轴加工中心是航空航天 模具和汽车等高科技领域的关键加工装备 机床的 动静态特性是影响机床性能的重要因素 将间接或直接影响机床最后的加工性能 在高速龙门五轴加 工中心的设计中 采用有限元分析技术对机床整机及桥梁 横梁 滑板 滑枕 工作台和双摆头等主要部 件进行了静力学分析和模态分析 发现横梁与滑枕为影响整机动静态性能的薄弱环节 对横梁与滑枕 的截面形状和筋板布局进行设计改进 从而提 高了机床的动静态性能 关键词 直线电机 高速龙门五轴加工中心 模态分析 有限元分析 Ab s t r a c t s p e e d 5 一 a x i s g a n t r y ma c h i n i n g c e n t e r i s a k e y d e v i c e i n t h e h i g h t e c h i n d u s t r i e s s u c h a s a e r o s p ace mo l d ma n u f a c t u r i n g v e h i c l e e t c w h i c h d y n a m i c a n d s t a t i c c h a r aet e r i s t i c o f m a c h i n e t o o l s i s t h e m a i n f act o r s t h at ma y a ffe c t t h e ma c h i n i n g p e rf o r m anc e of t h e t o o l s i n d i r e c t l y o r d i r e c t l y I n t h e d e s i g n o fa h i g h s p e e d g a n t r y ma c h i n i n g c e n t e r b o t h s t at i c f o r c e ana l y s i s and m o d al anal y s i s a r e p e rf o r me d w i t h t h e h e l p o fF E M s o w u l e f o r t h e c o n tp l e t e m a c h i n e a n d i t s m ain c o m p o n e n t s s u c h a s s u p p o r t i n gw al l s b e a m s l i d i n g b o a r d an d r a m as we l l as wo r k i n g t a b l e a n d d o u b l e p e n d u l u m e t c Ac c o r d i n g t o t h e s e an a l y s e s t h e f r ail p a r t s t h a t i m p a c t t h e d y n a mi c s o ft h e w h o l e ma c h i n e s e r i o u s l y are f o u n d and t h e i m p r o v e d d e s i g n f o r t h e b e a m a n d r a n h a s b e e n d o n e b y t h e c h ang e ofc r o s s s e c t i o n and r i b arr ang e me n t T h r o u g h t h e s e m o d ific ati o n s t h e p e r m a n c e of ma c h i n e t o o l i s i m p r o v e d g r e a t l y Ke y wo r d s Li n e a r mo t o r Ga n t r y 5 a x i s ma c h i n i n g c e n t e r M o d a l a n a l y s i s F EM 中图分类号 T H1 6 T G 5 0 2 文献标识码 A 1引言 高速龙门五轴加工中心主要应用于复杂模具制造以及大型 铝合金结构件的高速 高效 高精加工 是航空航天 模具和汽车 等高科技领域的关键加工装备 机床的动静态特J生 是影响机床性 能的重要因素 将间接或直接影响机床最后的加工性能 特别是 对于高速高精度机床 研究其动静态性能对机床性能的影响就尤 为重要ll j 因此在机床的设计过程中采用有限元分析技术 发现横 梁与滑枕为影响整机动静态性能的薄弱环节 对其结构进行优化 改进 从而提高了机床的动静态性能 2机床的有限元分析 2 1建立有限元模型 高速龙门五轴加工中心主要由左右桥梁 横梁 滑板 滑枕 工作台和双摆头等部件等组成 如图 1 所示 其中横梁及滑板的 驱动均采用直线电机 滑枕的驱动采用双丝杠驱动 先将整机各 部件建立 P r o E n g i n e e r 三维实体模型 并装配得到整机模型 然后 将其导入有限元分析软件 A n s y s 的 wo r k b e n c h 应用平台 设置 机床的材料属性 其中 机床左右桥梁和工作台的材料为 H T 2 5 0 杨氏模量为 1 2 x 1 0 MP a 密度 7 2 l O k m 泊松比0 2 2 横梁 滑板 和滑枕等大件使用 Q 2 3 5 A钢板焊接而成 其材料属性为杨氏模 量 2 1 x l 0 MP a 密度为 7 8 6 0 k m 泊松比0 3 图 1高速龙 门五轴加工中心结构示意图 1 桥梁 2 工作台 3 横梁 4 滑枕 5 滑板 6 双摆头 网格划分质量直接影响模型的计算精度 为了提高网格质 量 需要在网格划分阶段进行严格控制 左右桥梁 滑板和滑枕等 相对规则的物体采用六面体划分 横梁结构比较复杂 采用等边 四面体划分 依据各个零件尺寸大小的不同 单元尺寸大小分别 规定为 1 0 l O 0 mm不等 网格模型 如图2所示 机床相邻部件间相互接触的区域称为结合部 对机床整机特 性有重要影响 有统计显示 机床整机静刚度中 3 0 5 0 取决于结 合部的刚度特 动柔度有 6 0 以上是源自 结合部 阻尼值的9 0 以上来源于结合部的阻尼日 因此 结合部的建模是机床整机有限元 建模的重要组成部分 机床中主要的结合部包括直线电机初级 次 女 来稿日 期 2 0 1 1 0 2 0 9女 基金项目 国家 高档数机床与基础制造装备 科技重大专项课题 2 0 0 9 Z X 0 4 0 0 2 0 1 2 第 l 2 期 张 磊等 基于有限元的高速龙门五轴加工中心动静态优化设计 3 7 级结合部 直线滚动导轨滑块一 轨道结合部 滚珠丝杠丝母一 丝杠结 合部和螺栓连接的固定结合部 直线电机推动力很大 初级相对次 级运动时几乎没有弹性 在直线电机运动方向上施加位移约束方 程 滑块可沿导轨运动 在两个方向上承受力的作用 滚珠丝杠只承 受轴线方向的力的作用 这两种结合部采用节点耦合的接触单元模 拟 螺栓连接的结合部全部采用接触单元模拟 所有接触单元接触 刚度 阻尼和摩擦系数等参数均依据公司参数库查询得到 图 2主机 系统的网格划分模型 2 2静力学分析 静刚度是衡量机床性能优劣的一个重要指标 对于高速龙门 五轴加工中心这样的大型机床 在计算静力变形时 不能忽视它本 身的重力对机床的变形和加工的影响 根据机床的结构可知当滑枕 沿机床Z坐标方向移动到最下端时 滑枕的伸出量最长 此时的变 形最大 所以整机的静力学分析将选择此时机床的位姿来计算 首 先计算机床在重力作用下的变形情况 计算结果如图3所示 机床 的最大变形为0 3 4 0 ram 将变形分解可知 横梁是机床的薄弱环节 其引起的机床变形占总变形的 3 8 主要原因是横梁在重力作用 下发生 Y Z 平面的弯曲和X Z 平面的扭转 带动主轴偏离理想位置 图3机床在重力作用下的变形情况 在机床有限元模型中 按实际工况设置边界约束条件 将左 右桥梁地脚孔内圆柱面作为固定约束 根据加工过程中刀具在各 方向的受力 将切削工件时作用在刀具的反力折算简化到电主轴 的下 端面 在有 限元模 型 y z三个方 向上各施加 载荷 1 0 0 0 0 N 分别计算出该方向机床的最大变形 就可得到该方向上 机床的静刚度 如表 1 所示 表 1整机静力学分析结果 根据计算结果可以看出 机床在 方向的变形量最大 刚度 最低 将机床 方向变形进行分解 发现横梁和滑枕是引起变形 的主要部件 分别占到总变形的 3 2 和4 0 变形形式为横梁的 扭转和滑枕的弯曲 说明横梁的扭转刚度和滑枕的弯曲刚度较 差 是进一步优化改进的重点 2 3模态分析 在 A n s y s 中利用子空间法对机床的整机进行模态分析 得 到前四阶频率和振型描述 如表 2所示 前四阶自由振动振型 如 图 4 一 图 7所示 表 2整机静力学分析结果 图4机床一阶模态阵型 图5机床二阶模态阵型 图6机床三阶模态阵型 图7机床四阶模态阵型 影响机床动态性能的主要是机床的低阶模态 由机床前四 阶模态可知 机床振动主要集中在横梁和滑枕上 这个部件是机 床上的薄弱环节 这与 2 2 节中静力学分析的结果是一致的 因 此 要提高整机的动态性能 必须进一步优化横梁和滑枕的结构 3机床结构优化设计 横梁和滑枕为高速龙门机床核心的基础大件 由前面的分 析结果可知 它们为机床的薄弱环节 需对其结构优化改进 机床 大件的动静刚度主要决定于它的材料 截面形状 尺寸和筋板的 布置等因素 所以以它们的内部结构为出发点 改变尺寸 截面形 状 筋板的布置 然后利用有限元分析方法对改进前后方案对比 从而确定优化方案 提高它们的动静刚度 图 8横梁优化后横截面 横梁改进 如图 8 图9 所示 在横截面上相对于优化前增加 一 条横隔筋板贯穿横梁 并增加了交叉筋板的密度 来改善横梁的 弯曲刚度 在纵截面上增加一条竖隔筋板 将其截面划分为若干矩 形 另外将纵截面外围版厚度从 2 0 mm增加到2 5 mm 筋板及后围 板厚度由原来的 1 6 m m改为 1 2 ra m 并开有很多圆形或方形的窗 格 减轻重量改善固有频率 有限元分析对 匕 结果详 如表 3 所示 a 图 9横梁优化后纵截面 图 l O滑枕优化后横截面 滑枕为典型的矩形结构 如图 1 0 所示 其动静刚性主要取 38 机 械 设 计 与 制 造 M a c hi n e r y De s i g n Ma n u f a c t u r e 第 l 2期 2 0 1 1 年 1 2月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 1 2 0 0 3 8 0 3 抗事故包装箱缓冲结 构厚度计算方法研究 水 葛任伟 欧阳勇 张怀宇侯 强 中国工程物理研究院 总体工程研究所 绵阳 6 2 1 9 0 0 Re s e ar c h o f c o mp u t i n g me t h o d s f o r t h i c k n e s s o f b u f f e r i n g s t r u c t u r e o f a c c i d e n t r e s i s t a n t p a c k i n g c a s e s G E R e n w e i O U Y a n g y o n g Z HA N G H u a i y u H O U Q i a n g I n s t i t u t e o f S y s t e ms E n g i n e e r i n g C h i n a A c a d e m y o f E n g i n e e r i n g P h y s i c s Mi a n y a n g 6 2 1 9 0 0 C h i n a 摘要 为了降低放射性物质在运输与贮存中出现泄漏的风险 通常采用抗事故包装箱对其进 行包 装防护 介绍了抗事故包 装箱跌落的数学模型和缓冲材料的力学性能 基于能量转化的思想分析 了抗事故包装箱端面跌落 底面跌落和角跌落三种典型情况 给出了端面跌落和底面跌落时缓冲层厚 度的计算公式 并对角跌落时缓冲层厚度是否满足设计要求的验证方法进行了分析 给出了有效的验 证方法 计算方法和公式可为抗事故包装箱工程结构初步设计提供理论依据 关键词 抗事故包装箱 缓冲材料 缓冲结构 A b s t r a c t n o r d e r t o r e d u c e t r a n s p o r t a n d s t o r a g e o f r a d i o a c t iv e s u b s t a n c e s in t h e r is k of l e a k age o c c u r r i n g o c c i d e n t r e s i s t a n t p a c k a g i n g c o n t a i n e r i s u s u a l l y a p p l i e d f o r p r o t e c t io n A m a t h m o d e l o f a c c i d e n t r e s i s t ant p a c k a g in g c o n t a i n e r a n d t h e m e c h ani c a l p r o p e r t ie s o f b f f r m a t e r ia ls a l e i n t r o d u c e d 珊w e l 1 B a s e d o n t h e c o n v e r s ati o n o f e n e r g y t h r e e t y p i c al d r o p c o n d i t i o n s i n c l u d i n g e n d d r o p b o t t o m d r o p and c o r n e r d r o p a r e a n al y z e d and a c o m p u t ati o n f o r mu l a f o r b u f f e r i n g t h i c k n e s s d u r i n g e n d d r o p p i n g a n d b o t t o m d r o p p i n g i s p r o v i d e d I n add i t i o n t h e me t h o d f o r v e r if y i n g w h e t h e r t h e b u f f e r i n g t h i c k n e s s i n c o r ner d r o p p i n g s a t i s fie s t h e d e s i g n r e q u i r e m e n t i s ana l y z e d t o p r o v i d e a n e f fic i e n t v e r if y i n g me t h o d I n o n e w o r d t h e c o m p u t i n g m e t h o d and f o r m u l a p r o v i d e a th e o r e t i c a l b a s is f o r p r i m a r y d e s ign o f t h e e n g i n e e r i n g s tr u c t u r e o fo c c i d e n t r e s i s t ant p ack i n g c o n t ain e r Ke y wo r d s Ac c i d e n t r e s i s t a n t p a c k a g i n g c o n t a i n e r Bu ffe r i n g ma t e r i a l s Buff e r i n g s t r u c t u r e 中图分类号 T H 1 6 T K 1 2 4 文献标识码 A 1引言 放射性物质容易造成安全事故 并污染环境 它的安全问题 历来为各个国家所重视 因此在装卸 运输等过程中而需要进行 特别的防护 对于运输放射性物质的包装箱而言 在正式投入使 用前 须对其进行一系列的试验验证 以考核其在经历一系列的 事故环境后是否仍能保持其结构的完整性 通常的事故环境包 括跌落和火烧试验等 以检验包装箱在空运和车载事故中的跌落 及随后可能发生的火灾事件中能