基于ANSYS的加工中心立柱結構設計及性能分析
〇引言立柱是加工中心的重要部件之_，其結構的靜、動 態特性對機床的整體性能起著舉足輕重的作用，其強 度、剛度及穩定性將直接影響到機床的加工精度、加工 效率、抗振性及壽命[1 ]。通過大量實踐探索和實驗模 擬，本文以4種不同立柱內部筋板形式為研究對象，利 用ANSYS軟件對立柱進行靜力學分析和模態分析， 研究對比4種筋板對立柱的靜、動態性能的影響，最后通 過數據比照給出了內部筋板的******結構形式[2-3]。1立柱的有限元模型 1.1 建立三維CAD模型通過UG NX8. 0建立的某五軸聯動加工中心立 柱模型如圖1所示。模型的外形為方形，長946 mm， 寬850 mm,高2 235 mm,壁厚15 mm。為增加立柱的 剛性，在立柱內部布滿了筋板，筋板厚度為30mm，4 種不同形式的筋板結構如圖2所示。立柱內部筋板排 列不一樣，會造成其性能存在一定的偏差，重量、制造 成本及鑄造難度也不一樣。對此設計人員應綜合考慮 各種情況，確定實際可行并且有利于運輸及成本最低 的結構方案。1.2模型的簡化本文對立柱進行靜力和模態分析，以得到其剛度、 強度和固有頻率的變化趨勢。有限元模型的好壞將直 接影響到分析結果的準確度和計算效率，由于立柱是 _個鑄造件，具有結構復雜、體積龐大的特點，要對它 建立精確的有限元模型是很不容易的，因此為減少計 算的工作量，應對立柱模型進行必要的簡化。根據圣維南原理，對模型中的倒角、退刀槽、凸臺、螺紋孔等進 行刪除或簡化[4]，其目的是為了避免在位置狹小的局 部生成大量的網格單元，防止計算量過大和解算時間 過長，以影響分析結果的準確性和拖慢有限元分析的 效率。 1.3材料定義與網格劃分給模型賦予材料屬性是有限元分析的第_個步 驟。不同的部件其材料不一樣，承受載荷大小也不_ 樣，故材料屬性就不一樣。因灰鑄鐵HT250各向同 性、金相組織分布均勻、抗拉強度高，因此很適合作為 加工中心立柱的材料使用?；诣T鐵HT250的彈性模 量為1. 1X10uPa，泊松比為0. 28,密度為7 200 kg/m3。立柱的整體構造比較復雜，利用自適應網格劃分 方法對其進行網格劃分[5]，如圖3所示。4種立柱結構 有限元模型的節點總數和單元總數見表1。表1 4種立柱筋板形式有限元模型節點總數和單元總數 筋板形式 節點總數 單元總數 A 54 055 29 191 B 47 569 25 602 C 56 581 32 124 D 45 796 23 055 1.4施加載荷及約束立柱底部安裝滑塊與床身上的導軌接觸，因此對 立柱與床身接觸部位施加固定約束，固定住其6個自 由度。工作時立柱承受復雜的空間載荷，主要包括其 自重、主軸箱、拖板及銑頭等配置的重量以及切削力對 立柱的作用，將立柱所受的各載荷轉換成集中載荷施 加在立柱上表面。2靜力結構分析靜力結構分析是指對其強度和剛度的分析，即對 應力和位移變形的分析。通過靜力結構分析，設計人 員可以根據立柱在受力過程中的變形趨勢，為立柱的 后續優化設計提供重要理論依據[6]。立柱靜剛度是衡量機床整體性能好壞的一個重要 指標，它因立柱的材料、尺寸大小、筋板的布置形式等 因素而不同。為使加工中心在加工零件時因切削力而 引起的機床變形以及因立柱的抗振性而引起的刀具變 形達到最小值，就要求立柱的靜態剛度足夠高m。通 過靜態分析得出的4種立柱筋板結構的位移量、合應 力及質量對比如表2所示。表2 4種立柱筋板結構位移量、合應力及質量對比 筋板形式 位移量（pm) 合應力（MPa) 質量（kg) A 10. 036 1. 116 7 2 137.4 B 11. 235 1. 214 1 962.7 C 18. 258 2. 566 2 544. 9 D 15.154 1. 657 2 391 8 單從靜態分析所表現出的數據上可以看出蜂窩形 的筋板形式（結構A)是這4種結構中最好的：其****** 位移量只有10.036 ^m，主要發生在立柱頂部區域，其 ******應力為1. 116 7 MPa，主要發生在導軌頂部區域， 這些區域較其他區域容易鐵的許用應力240 MPa。具有蜂窩形筋析的立柱的位 移云圖和應力云圖如圖4、圖5所示。 3模態分析通過模態分析能夠知道結構的固有頻率及振型， 這可以對結構提供優化指導以便提高加工質量和效 率。_般來說，固有頻率有無限多個模態，但真正有實 際意義的只有低階模態，而高階模態在振動中起的作 用很小[8]。在對立柱進行模態分析之前要對模型進行 網格劃分，劃分方法與靜態結構分析是_樣的。不加 載荷時4種筋板結構的立柱在自由狀態下的前6階頻 率及振型見表3。對比發現：具有蜂窩形筋板的立柱 的動態性能最好，其1階頻率只有36. 309 Hz，是4種 筋板結構中1階頻率最小的，說明蜂窩型筋板結構最 適合此立柱結構設計。具有蜂窩形筋析的立柱的前6 階振型圖如圖6所示。表3 4種立柱結構的前6階頻率及振型 Hz 階數 筋板形式 振型描述 結構A 結構B 結構C 結構D 1 36. 309 85.267 52.312 75.243 繞Z軸扭彎 2 107.85 149. 32 109. 25 124. 35 繞Y軸扭彎 (1) 應用ANSYS Workbench對具有4種不同形 狀筋板的立柱結構進行靜態分析和模態分析，得到其 相對應的位移、應力以及前6階固有頻率。(2) 立柱的******位移主要發生在其頂部區域；最 大應力主要發生在導軌頂部區域，4種立柱的******應 力都遠小于灰鑄鐵抗拉強度240 MPa，設計完全滿足要求。(3) A結構的剛度最好，B結構其次；A結構的低 階模態頻率最低，C結構其次。 (4) 綜合考慮立柱筋板的鑄造成本、復雜程度以綜合考慮立柱筋板的鑄造成本、復雜程度以 =2>所示。本文由海天精工整理發表文章均來自網絡僅供學習參考，轉載請注明！