水切割機床主要支承件的結構優化設計

季鵬 王成陽

【摘 要】本文利用有限元分析軟件對某型水切割機床的主要支承件進行了靜態分析和結構優化設計。首先，根據受力情況適當簡化整機結構、構建水切割機床的實體模型；然后，利用有限元分析軟件ANSYS對簡化后的模型進行靜態分析，得到機床的應力分布和位移分布云圖，找出結構上的薄弱環節。最終，以結構安全可靠為原則、運用ANSYS Workbench軟件對該機床的橫梁和床身兩個主要支承件進行拓撲優化。所得到的新支承件結構更加合理，對降低生產成本方面具有重要參考價值。

【關鍵詞】水切割機床；有限元分析；優化設計

中圖分類號： TG48 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）33-0025-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.33.010

0 引言

水切割，又稱水刀，屬于冷切割。其工作原理為液體增壓原理，即由設備中的轉能裝置將機械能全部轉換成對水壓力能后從小孔噴出，繼而全部轉換成動能、形成高速水射流，對被切工件進行沖擊破壞。

1 初始設置

1.1 三維模型的建立及簡化

該型水切割機床X、Y、Z軸的行程分別為1.5m、2.5m、0.31m，主要由床腿、床身、滑臺、底座、橫梁等部件組成，結構較為復雜。在ANSYS中進行幾何建模相對于在其他軟件進行幾何建模比較困難；除非模型便于使用參數化建模方法，否則一般不在ANSYS中建立模型[1]。因此，該機床最終使用SolidWorks軟件建立零部件和整機的三維實體模型。隨后按照忽略非承載件、構件表面光滑化、簡化非關鍵部件、主從節點原則、理想焊接和載荷分配，這六條準則進行模型的簡化。簡化后用于分析計算的模型如圖1所示。

1.2 有限元模型的建立

用SolidWorks軟件將簡化后的三維模型以Parasolid保存，并導入有限元ANSYS軟件，本文分析、研究的水切割機床大部分零部件為空間不規則幾何體，故選擇三維10節點SOLID187四面體結構單元來進行自由網格劃分以提高后期分析計算的準確性；其中橫梁為薄壁、規則的焊接件，其長度值接近其厚度的600倍，滿足選用殼單元的基本原則，但是橫梁的內側和外側都有零件接觸，如果使用普通的殼單元無法建立幾何模型，而且還會影響計算精度，故改用三維8節點SOLSH190實體-殼單元進行自由網格劃分。

2 支承件的有限元靜力分析

2.1 橫梁靜力分析

在定義了單元類型、材料屬性、網格劃分、接觸定義、施加載荷及約束之后對有限元模型進行求解，通過后處理器查看需要的結果[2]。

如圖2所示，從橫梁的節點應力分布云圖可以看出，橫梁結構的等效應力值分布區間為1.12*10-5至30.9513MPa，最大等效應力約為30.96MPa，位于橫梁下表面與底座接觸處，但其值仍遠小于材料的許用應力。橫梁結構的等效應力分布較為均勻，大多數區域的等效應力在4MPa以下。材料Q235的屈服強度為235MPa，所以安全系數N=σs/σmax=235/30.9513≈7.59，超過手冊最低要求、整體結構是安全的。在橫梁與底座的連接處和橫梁側面與導軌連接處出現輕微的應力集中，但此處的最大應力值仍遠小于材料的許用應力，對橫梁整體的剛度影響不大。所以橫梁從應力角度分析，完全能夠滿足強度要求，而且還具有較大的結構優化空間。橫梁結構等效應力分布如下表1所示。

從橫梁結構總變形如圖3所示，橫梁的總變形量如表2所示：總變形量可達0.196mm，橫梁結構在三個方向上最大變形分別約為0.046mm、0.043mm、0.188mm。由于水切割機床為三軸機床、主要加工平面輪廓類零件，工作平面為X軸和Y軸所構成的G17平面，因此影響切割精度的主要為X方向和Y方向的變形。該機床的加工精度為0.1mm，因此橫梁X方向和Y方向的變形滿足精度要求，而且兩個方向的變形差距較小。但Z方向的變形較大，可通過結構優化，以增大橫梁Z方向的剛度。

2.2 床身靜力分析

如圖4所示，從床身的節點應力分布云圖可以看出，床身結構的等效應力值分布區間為0.0523-30.685MPa，最大等效應力約為30.685MPa，位于床身下表面與床腿接觸處，但其值仍遠小于材料的許用應力。橫梁結構的等效應力分布較為均勻，99%區域的等效應力在4MPa以下。材料HT250的條件屈服強度為150MPa，所以安全系數N=σs/σmax=150/30.6849≈4.8，超過手冊最低要求、整體結構設計是安全的。應力集中主要出現在床身與床腿接觸的尖端，但此處的最大應力值仍遠小于材料的許用應力，對床身整體的剛度影響不大。所以床身從應力角度分析，完全能夠滿足強度要求，而且還具有較大的結構優化空間。床身結構等效應力分布如表3所示。

如圖5所示，從床身結構總變形云圖可以看出，床身的總變形最大值約為0.1093mm，位于床身最右端。由于分析時將橫梁放置于床身最右端，定性的分析來看，非常符合理論分析，向右端區域變形值呈增大的趨勢。如表4所示，床身結構在三個方向上最大變形分別約為0.0153mm、0.0155mm、0.1086mm。其中X方向與Y方向的變形差距較小，但Z方向的變形較大，可通過結構優化，以增大床身Z方向的剛度，使床身結構剛度分布更加合理。

3 機床支承件的優化設計

由橫梁的靜力分析可知，橫梁結構的強度較高，但在三個方向上剛度分布不均勻，其中Z方向的變形最大。這種結果主要是由于Y軸導軌的安裝位置導致的，兩導軌都安裝在橫梁的側壁上，所以橫梁和主軸的重心都偏向了一側。因此，可以通過改變導軌的布置方式，來改變橫梁的應力分布，使其盡量分布均勻。改進后具有對稱分布特點的新導軌布置形式如圖6所示，這樣可以保證實際重心位置具理論最佳位置距離最短，可有效的減少橫梁的扭轉變形。

將改進導軌布置方案重新建模后，再次使用ANSYS Workbench進行拓撲優化，得到如圖7（a）和（b）所示的橫梁和床身拓撲優化云圖。

4 結語

通過使用ANSYS Workbench對該設備的主要支承件（橫梁和床身）進行拓撲優化，并根據仿真結果完成對了橫梁和床身的結構優化，最后的得到新結構模型符合使用要求。優化后橫梁的重量減少了約20kg，床身的重量從減少了約110kg。優化后機床不僅降低了整機的總質量、節約了材料成本，而且依然能夠保持較高的強度和剛度。

【參考文獻】

[1]張向東.完全掌握ANSYS14.5有限元分析超級手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2014.

[2]許俊.懸臂式1525水切割機床力學特性分析和結構優化設計[D].東南大學，2013.

[3]魏國峰.基于ANSYS數控車床床身有限元結構分析[J].黑龍江工程學院學報（自然科學版），2008（12）.

[4]徐丹.水切割機床橫梁立柱有限元分析及優化[J].南通航運職業技術學院學報，2016（6）.