基于ANSYS的定梁龍門機床橫梁靜力學特性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

曹明，宋春明，張東生，童國榮

（1.陜西理工學院，陜西 漢中 723003；2.漢川數(shù)控機床股份公司，陜西 漢中 723003）

0 引 言

大型龍門機床有加工跨距大、加工效率高、剛度高的特點，適用于批量或高精度加工，在航空、汽車等多種領(lǐng)域應用廣泛［3］。而橫梁是龍門機床的主要支承部件，其結(jié)構(gòu)和靜、動態(tài)力學特性直接影響機床的加工精度。

本文針對陜西漢川機床有限公司正在研發(fā)的某型定梁龍門機床，通過SolidWorks 軟件建立其橫梁的三維實體模型，然后應用ANSYS 對其進行靜力特性分析，得出橫梁在自身重力作用下的變形和應力值，查看變形量是否滿足機床設(shè)計的精度要求，分析橫梁受力的薄弱環(huán)節(jié)，通過對橫梁筋板的優(yōu)化設(shè)計，提高其靜態(tài)剛度及承載能力。

1 橫梁的結(jié)構(gòu)和載荷特點分析

1.1 橫梁及其內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)

焊接結(jié)構(gòu)橫梁一般不能滿足抗彎及抗扭剛性，所以龍門機床橫梁大多采用鑄造結(jié)構(gòu)。本文分析的橫梁三維實體模型及其筋板結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 橫梁及其內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)

定梁龍門機床的橫梁固定在兩側(cè)立柱上，工作臺做Z 向移動，滑枕帶動主軸箱沿橫梁導軌做X 向移動，主軸箱做Y 向進給運動，實現(xiàn)對工件的加工。橫梁內(nèi)部分布有筋板，主要作用是承載機床作業(yè)中的載荷，抵抗變形，保證加工精度。

1.2 橫梁載荷特點分析

橫梁是機床的主要支承件，直接決定機床的加工精度，一般通過兩端的固定座安裝在兩立柱上，主軸箱部件在其上做橫向移動和縱向進給。橫梁受力為兩點簡支梁支承形式，引起橫梁變形的主要原因是自身重力和加工時的切削力［3］，當只考慮自重時，在立柱支點內(nèi)側(cè)，橫梁會在重力方向形成弧面彎曲，支點外側(cè)輕微翹曲。對橫梁進行靜力學分析就是考慮在固定載荷作用下橫梁產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)位移、應力和應變。

2 基于ANSYS 的橫梁結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析

2.1 橫梁有限元模型的建立及網(wǎng)格劃分

本文利用三維建模軟件SolidWorks 對龍門機床橫梁部件進行建模，然后以中間文件形式導入ANSYS 系統(tǒng)，建立對應的有限元模型。

ANSYS 單元類型的選擇直接影響到求解是否能夠順利進行以及求解的準確性。本文采用的SOLID187 單元是一種高階3 維10 節(jié)點固體結(jié)構(gòu)單元，單元支持塑性、超彈性、蠕變、應力剛化、大變形和大應變能力［5］。

有限元的網(wǎng)格包括了數(shù)據(jù)和單元信息，正確劃分網(wǎng)格是進行有限元分析的先決條件。網(wǎng)格單元尺寸越小，劃分越密集，求解精度也越高，同時求解過程持續(xù)時間也越長，對計算機硬件要求越高。所以，應該在滿足求解精度的前提下，合理劃分網(wǎng)格，以達到精、準、快的要求。鑒于橫梁結(jié)構(gòu)尺寸特點，本文采用網(wǎng)格自動生成方法，設(shè)置網(wǎng)格尺寸為30 mm，通過軟件的自動分網(wǎng)功能對橫梁實體劃分網(wǎng)格。圖2 即為模型網(wǎng)格劃分結(jié)果。

圖2 橫梁有限元網(wǎng)格模型

2.2 橫梁的靜態(tài)特性分析

在進行有限元分析之前，首先應確定材料屬性。本文分析的橫梁材料為HT300，密度取7 800 kg/m3，泊松比取0.25，彈性模量取1.2×1011Pa。

根據(jù)本型定梁龍門機床橫梁的裝配形式，約束應施加在橫梁下部的兩個突起平面上，實行完全約束，如圖3所示。

圖3 橫梁施加約束結(jié)果

本文主要考察橫梁自重的影響，所以載荷應是橫梁自身的重力。重力屬于慣性力，加載方式是在重力作用反方向加載重力加速度，本文中的重力加載是在Y 軸正方向加載重力加速度9.8 m/s2。

進入ANSYS 求解模塊進行分析計算，計算結(jié)束后，可以查看橫梁的變形及應力，如圖4～圖9 所示，表1 列出了X、Y、Z方向橫梁的最大靜變形和靜應力。

圖4 X 方向變形圖

圖5 Y 方向變形圖

圖6 Z 方向變形圖

圖7 X 方向應力圖

圖8 Y 方向應力圖

圖9 Z 方向應力圖

表1 橫梁在重力作用下的應力及變形最大值

可以看出，橫梁在自重作用下，最大應力出現(xiàn)在立柱與橫梁連接處的內(nèi)側(cè)，大小為816 000 0 Pa，方向為X 軸負方向；最大變形量為19.4 μm，出現(xiàn)在橫梁中部，方向為Y 軸負方向。以上數(shù)據(jù)及圖示表明，橫梁的重力變形不可忽視。為提高其靜剛度，增強其抵抗變形的能力，應考慮筋板的結(jié)構(gòu)形式及合理分布。

3 橫梁內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

保持橫梁尺寸不變，將原橫梁內(nèi)部密布的X 型筋板改為橫向和縱向交錯的十字型結(jié)構(gòu)。改進后的橫梁如圖10 所示。

圖10 優(yōu)化后橫梁及其內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)

在網(wǎng)格劃分、材料特性、約束及載荷條件等不變的情況下，依據(jù)上述ANSYS 分析流程，對此橫梁進行有限元分析。主要查看變形和應力最大值方向的結(jié)果，分析結(jié)果如圖11、圖12 所示，結(jié)果顯示，優(yōu)化后橫梁的最大應力值為6.69 MPa，；最大變形量為16.9 μm，方向與優(yōu)化前相同。

4 結(jié)果分析

根據(jù)上述分析，表2 列出了優(yōu)化前后橫梁最大靜態(tài)變形和應力的對比情況。

通過以上分析計算，結(jié)果表明，通過改變橫梁筋板的結(jié)構(gòu)及布局形式，使最大靜變形由19.4 μm 降為16.9 μm，橫梁的靜剛度提高了12.89%；最大靜應力由8.16 MPa 降為6.69 MPa，降低了18.01%，顯著改善了橫梁的靜力學特性。

表2 優(yōu)化前后結(jié)果對比

圖11 Y 方向變形圖

圖12 X 方向應力圖

5 結(jié) 語

本文在分析某型龍門機床橫梁結(jié)構(gòu)和受力特點的基礎(chǔ)上，利用有限元分析軟件ANSYS 對橫梁的靜力學特性進行快速、精確的分析。通過分析計算獲得了橫梁的最大變形量和最大應力值及其產(chǎn)生部位，并且通過優(yōu)化橫梁筋板結(jié)構(gòu)及其分布，提高了橫梁整體的靜態(tài)特性，為后期的整體結(jié)構(gòu)分析提供了充分的依據(jù)。

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