基于ANSYS Workbench的滑座有限元分析

余丕亮，林曉波，唐明松

（桂林機(jī)床股份有限公司，廣西 桂林 541001）

數(shù)控滑枕床身銑床是單立柱側(cè)掛式結(jié)構(gòu)，整機(jī)剛性略顯不足[1]，為此應(yīng)用三維軟件和有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，就成為提高強(qiáng)度和剛度以保證加工能力和精度的重要手段。

滑座是支持?jǐn)?shù)控滑座床身銑床Y 向和Z 向移動(dòng)的重要零件，其受力變形直接影響到滑枕和銑頭的精度，筆者以滑座來進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)分析，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

滑座裝配圖如圖1 所示。

伺服電機(jī)通過同步帶驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使緊固在滑座上的螺母移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)滑座沿立柱導(dǎo)軌作Z 向移動(dòng)，滑枕沿滑座導(dǎo)軌作Y 向移動(dòng)。同時(shí)采用液壓平衡油缸來平衡滑座、滑枕、銑頭、變速箱等零件產(chǎn)生的重力。

ANSYS 是有限元分析的大型通用CAE 軟件，本文采用ANSYS Workbench 對(duì)滑座進(jìn)行靜剛度分析。典型的ANSYS Workbench 包括3個(gè)步驟：創(chuàng)建有限元模型模型，施加載荷和約束并求解，結(jié)果分析和優(yōu)化[2]。

1 創(chuàng)建有限元模型

1.1 三維建模

本文采用Solid Works 軟件進(jìn)行三維建模，為便于分析和計(jì)算，在建立實(shí)體模型時(shí)不考慮小尺寸的圓角和倒角。模型如圖2 所示。

圖2 滑座三維模型及載荷圖

1.2 導(dǎo)入三維模型

設(shè)置材料為HT300，彈性模量為120 GPa，泊松比0.25，密度7 250 kg/m3，抗拉強(qiáng)度290 MPa。

1.3 受力分析

滑座水平導(dǎo)軌面受滑枕、銑頭、變速齒輪等零件重力，總和為28 000 N，滑座自身重力G。啟動(dòng)時(shí)總慣性力約1 000 N。平衡油缸液壓設(shè)定為7.5 MPa，油缸內(nèi)徑Ф 75 mm，可算出油缸座受拉力為33 117 N。絲桿螺母緊固在絲桿座上，設(shè)絲桿座支反力為F（受力分析如圖2 所示）。

1.4 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析處理的關(guān)鍵工作，網(wǎng)格劃分的好壞，將對(duì)計(jì)算過程和結(jié)果產(chǎn)生很大影響，其可分為自動(dòng)網(wǎng)格劃分、映射網(wǎng)格劃分和拖拉掃掠網(wǎng)格劃分。

對(duì)復(fù)雜模型，采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分比較省時(shí)省力[3]。此滑座模型采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分，因形狀不規(guī)則，程序自動(dòng)產(chǎn)生的是四面體網(wǎng)格（如圖3 所示）。

圖3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分后，得到模型節(jié)點(diǎn)數(shù)410 439個(gè)，單元數(shù)231 898個(gè)。

2 施加載荷和約束

2.1 輸入載荷和約束條件

按圖2 所示輸入載荷，導(dǎo)軌面上的載荷分布均勻。絲桿座上為全約束部位，F(xiàn) 不輸入，滑座自身重力G 由“Standard Earth Gravity”產(chǎn)生。絲桿座接觸面設(shè)置為全約束，與立柱接觸的垂直導(dǎo)軌面設(shè)置為Z 向“free”，X 向和Y 向自由度設(shè)置為0（如圖4 所示）。

圖4 載荷與約束

2.2 求解結(jié)果

如圖5、圖6 所示，最大總變形量為67 μm，最大等效應(yīng)力為23.3 MPa。

圖5 總形變圖

圖6 總形變值和等效應(yīng)力值

3 分析結(jié)果和優(yōu)化設(shè)計(jì)

顯然，初次設(shè)計(jì)的滑座，由于最大變形量過大，不符合設(shè)計(jì)要求，需進(jìn)行改進(jìn)。通過查看模型上的等效應(yīng)力分布，可知絲桿座和油缸座是薄弱部位，側(cè)壁和內(nèi)腔剛度不足。

優(yōu)化方案為：增加4 處加強(qiáng)筋，加長(zhǎng)油缸座和絲桿座，增大Z 向?qū)к壙缇嗪蛯挾取?/p>

優(yōu)化后的滑座如圖7 所示。

圖7 滑座改進(jìn)圖

對(duì)其再次進(jìn)行網(wǎng)格劃分，按前述條件輸入載荷和約束條件，并求解，得出總形變?nèi)鐖D8 所示，

圖8 總形變圖

等效應(yīng)力值如圖9 所示。

圖9 總形變值和等效應(yīng)力值

優(yōu)化設(shè)計(jì)后，最大總形變值為8.9 μm，符合設(shè)計(jì)要求。最大等效應(yīng)力為8.05 MPa，遠(yuǎn)小于材料極限強(qiáng)度290 MPa。

4 結(jié)束語(yǔ)

ANSYS Workbench 能快速對(duì)機(jī)床零件進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證模型結(jié)構(gòu)的合理性和安全性，為優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，降低設(shè)計(jì)和試驗(yàn)成本。

[1]現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì). 現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)[K].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]楊曉京，等.基于ANSYS 靜剛度分析的XK640 數(shù)控銑床關(guān)鍵零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓.2007，35(9)：42-43．

[3]李慶齡. ANSYS 中網(wǎng)格劃分方法研究[J]. 上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào).2006，9(5)：28-29．