本科畢業(yè)論文--m7475b平面磨床立柱結構ansys有限元分析

本科畢業(yè)論文M7475B平面磨床立柱的有限元分析目錄前言 4第一章緒論 61.1機床有限元分析國內外的研究現狀 61.1.1國內的研究現狀 61.1.2國外的研究現狀 71.2本課題主要研究內容 71.3本課題的意義 8第二章M7475B平面磨床簡介及立柱結構受力分析 92.1平面磨床結構簡介 92.2立柱磨頭受力概況 102.2.1砂輪速度的計算： 102.2.2軸向磨削力的計算： 112.2.3切向磨削力和法向磨削力的計算： 112.3磨床振源頻率的確定 122.4本章小結 13第三章立柱結構有限元模型的建立 133.1PRO/E與ANSYS的連接 133.2立柱結構建模方法 143.3立柱有限元模型 153.4本章小結 15第四章立柱結構有限元靜力學分析 164.1有限元方法簡介 164.2ANSYS軟件簡介 164.2.1ANSYS的組成及主要技術特點: 164.2.2ANSYS結構分析過程 174.3立柱結構的ANSYS結構剛度分析 174.3.1定義單元類型 174.3.2定義材料屬性 174.3.3網格劃分 184.3.4施加約束 194.3.5施加載荷 194.3.6計算結果 204.4本章小結 25第五章模態(tài)分析 255.1磨床動態(tài)特性參數 265.2模態(tài)分析的基本思想 265.3模態(tài)分析的基本理論 275.4模態(tài)分析的一般過程 275.5M7475B平面磨床立柱的模態(tài)分析 285.5.1定義單元類型 285.5.2定義材料屬性 285.5.3網格劃分 285.5.4施加約束 295.5.5分析計算 295.5.6觀察結果 295.6本章小結 32第六章立柱結構優(yōu)化設計 336.1優(yōu)化設計概況 336.1.1優(yōu)化設計的發(fā)展 336.1.2優(yōu)化設計的概念 336.1.3優(yōu)化設計的經濟效益 336.1.4優(yōu)化設計發(fā)展方向 346.2機床結構設計準則 346.3結構改進優(yōu)化 356.3.1立柱結構優(yōu)化方案一 356.3.2立柱結構優(yōu)化方案二 396.4本章小節(jié) 43第七章結論與展望 437.1結論 437.2論文不足之處 447.3展望 44參考文獻 45致謝 46INDEX\h"—M—"\o"S"\c"2"\z"2052"前言據權威部門的一項統(tǒng)計資料顯示，目前我國鄉(xiāng)以及鄉(xiāng)以上獨立核算的機械行業(yè)企業(yè)金屬切削機床擁有量已達300萬臺，高居世界各國之首。此外，再加上非獨立核算的和鄉(xiāng)以下企業(yè)的擁有量，機床總數當在500萬臺左右，這是一種雄厚的生產資源。然而，另一方面，我國機床完好率之低也是驚人的。某機械工業(yè)集中地區(qū)有關部門的調查顯示，中、小型機械企業(yè)“帶病”工作的機床竟有60%。這是造成企業(yè)產品質量低、經濟效益差的一個重要原因。磨床加工車間廢品率上升，經常使工廠受到嚴重經濟損失，研究分析發(fā)現，造成此種后果的重要原因一是磨床完好率差，故障頻繁，精度不夠，得不到及時的調整與維修，二是在機械工業(yè)以及金屬切削加工技術不斷發(fā)展的今天，進行高速磨削提高生產效率以及加工精度已經成為磨床的發(fā)展趨勢，磨床的一些主要結構部件的前幾階固有頻率可能會處于工作頻率范圍之內，將導致磨床的共振?！肮び破涫?，必先利其器?！备淖兩鲜鰻顩r，必須改善目前企業(yè)金屬切削機床基礎部件的剛性，提高機床抗震性，只有這樣才能從根本解決加工精度和機床壽命問題。因此利用大型有限元分析軟件對磨床床身部件進行靜力學分析和動力學分析以改善上述情況變得十分必要。ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，能與多數CAD軟件接口，實現數據的共享與交換。利用ANSYS軟件能進行復雜的應力應變分析的巨大優(yōu)勢，通過大型三維建模軟件Pro/ENGINEER建立立柱模型，導入ANSYS軟件進行分析，可以清楚并定量的表現出部件變形的情況，從而為提高部件剛性提供理論依據以及數據支持。振動現象也是機床設計中所面臨的問題之一，它能造成加工誤差，影響零件的加工精度。模態(tài)分析主要用于確定結構或機器部件的振動特性。建立機床基礎部件三維模型，利用大型有限元分析軟件ANSYS，對機床部件進行模態(tài)分析，得出床身部件前幾階固有頻率和振型，了解床身部件的各階振動模態(tài)的特點，對于我們研究床身部件的動態(tài)特性是十分必要的，有利于機床床身系統(tǒng)的整體設計。提高機床零部件的前幾階固有頻率是提高機床剛性、避免共振、降低振幅的有效措施。M7475B型平面磨床是機械工業(yè)中廣泛使用的重要金屬磨削加工工具，采用砂輪端面進行磨削，磨削面積大，立柱結構受力情況極為復雜，本課題用三維CAD軟件Pro/ENGINEER對M7475B型磨床立柱結構進行建模，并將三維模型導入ANSYS有限元分析軟件以實現數據的共享和交換，利用其強大的分析能力對M7475B型磨床立柱結構進行應力及應變分析，探討通過改變立柱結構以增加立柱結構剛性,并基于ANSYS有限元方法對立柱結構進行模態(tài)分析，探討不同結構對提高立柱前幾階固有頻率的影響，通過提高前幾階固有頻率提高立柱結構抗振性，對提高磨床加工質量和精度有重要意義。第一章緒論1.1機床有限元分析國內外的研究現狀國際上早在60年代初就開始投入大量的人力和物力開發(fā)有限元分析程序，但真正的CAE軟件是誕生于70年代初期，而近15年則是CAE軟件商品化的發(fā)展階段，目前流行的CAE分析軟件主要有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、MAGSOFT、COSMOS等。ANSYS軟件致力于耦合場的分析計算，能夠進行結構、流體、熱、電磁四種場的計算，已博得了世界上數千家用戶的鐘愛。同時，21世紀ANSYS在機械行業(yè)的廣泛應用已給傳統(tǒng)機械工業(yè)帶來了新的革命，更高的可靠性設計、更好的抗震性設計等均是ANSYS給機械工業(yè)帶來的驚喜，特別是在機床結構和抗震性設計方面國內外已有大量成果斐然的研究。1.1.1國內的研究現狀東南大學機械工程系的倪曉宇、易紅等利用有限元法對機床床身進行靜、動態(tài)分析，并使用漸進結構優(yōu)化算法對床身結構進行基于基頻約束和剛度約束的拓撲優(yōu)化，為ESO方法在機床大件結構拓撲優(yōu)化中的應用做了有益的嘗試[1]；內蒙古工業(yè)大學的楊明亞等建立立柱的三維有限元模型，利用大型有限元分析軟件ANSYS對立柱部件進行了模態(tài)分析,得出了立柱前五階固有頻率和振型[2]；浙江大學現代制造工程研究所的楊曉京等基于ANSYS有限元分析軟件對XK640數控銑床的立柱進行結構優(yōu)化，比較了四種結構形式的立柱的動力特性，確定了在XK640數控銑床中選用內側加強筋結構立柱，提高了機床設計水平[3]；東南大學機械工程系的伍建國等在對M2120A原機床床身動態(tài)測試的基礎上，建立床身的有限元分析模型，并對床身進行有限元計算，找出原床身設計中的缺陷，從而對各種改進后的機床身再進行有限元分析，通過多方案的比較，得出最優(yōu)設計方案[4]；東北大學機械工程與自動化學院的張耀滿等在CHH6125臥式車削加工中心的研制開發(fā)過程中，在產品設計階段對其采用有限元分析方法，對機床的原有結構進行動力學分析計算、對機床原有機構進行適當改進，提高機床的動力學性能，并對機床進行了試驗，對分析結果進行驗證[5]；西安工業(yè)大學機電工程學院的朱育權等通過ANSYS軟件建立1CL50機床立柱的幾何模型，采用四面體單元對立柱進行網格劃分，分析了1CL50立柱的一階、二階和三階振型，得出一階振動為整機搖晃和橫斷面內彎曲振動，二階振型為橫斷面內扭曲振動加垂直方向彎曲振動，三階振型為橫斷面內彎曲振動加垂直面內彎曲振動，分析指出了加工過程中應該避開的激振頻率，避免一階振動應加十字型筋板，避免二階振動應加對角交叉筋板，避免三階振動應加菱形筋板[6]。1.1.2國外的研究現狀MohammedAlfares等研究了磨床動載情況下,對應磨削力的變化情況,以及對工件材料的影響[7]。N.zhang和I.Kirpitchkenko建立了磨削過程的動態(tài)模型,找出了磨削力和模型固有頻率變化之間的對應關系,給出了磨削力的估算公式[8]。1.2本課題主要研究內容本課題用三維CAD軟件Pro/ENGINEER對M7475B型磨床立柱結構進行建模，并將三維模型導入ANSYS有限元分析軟件以實現數據的共享和交換，利用其強大的分析能力對M7475B型磨床立柱結構進行應力及應變分析，探討通過改變立柱結構以增加立柱結構剛性,并基于ANSYS有限元方法對立柱結構進行模態(tài)分析，探討不同結構對提高立柱前幾階固有頻率的影響，通過提高前幾階固有頻率提高立柱結構抗振性。1.3本課題的意義本課題利用ANSYS有限元分析軟件對M7475B平面磨床立柱結構進行有限元的靜力學分析和模態(tài)分析。ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，能與多數CAD軟件接口，實現數據的共享與交換。利用ANSYS軟件能進行復雜的應力應變分析的巨大優(yōu)勢，通過大型三維建模軟件Pro/ENGINEER建立立柱模型，導入ANSYS軟件進行分析，可以清楚并定量的表現出部件變形的情況，從而為提高部件剛性提供理論依據以及數據支持。振動現象也是機床設計中所面臨的問題之一，它能造成加工誤差，影響零件的加工精度。模態(tài)分析主要用于確定結構或機器部件的振動特性。建立機床基礎部件三維模型，利用大型有限元分析軟件ANSYS，對機床部件進行模態(tài)分析，得出床身部件前幾階固有頻率和振型，了解床身部件的各階振動模態(tài)的特點，對于我們研究床身部件的動態(tài)特性是十分必要的，有利于機床床身系統(tǒng)的整體設計。通過結構優(yōu)化設計以提高機床零部件的前幾階固有頻率是提高機床剛性、避免共振、降低振幅的有效措施。第二章M7475B平面磨床簡介及立柱結構受力分析2.1平面磨床結構簡介平面磨床是用磨削方法加工工件的機床,可以進行不同精度的各種表面的加工。同一臺磨床可以一次性完成粗、精磨削,減少了工序間的搬運、裝夾等輔助時間,具有較高的生產效率。平面磨床一般由床身、工作臺、磨頭、橫向進給機構、升降機構、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成[9]。按照磨頭主軸位置和結構布局的不同,主要分為臥軸矩臺平面磨床、臥軸圓臺平面磨床、立軸矩臺平面磨床和立軸圓臺平面磨床四種類型。M7475B平面磨床屬于立軸圓臺平面磨床，有圓形電磁工作臺和立式磨頭,采用砂輪端面磨削。該機床為高效率的平面磨床，主要是用于粗磨毛坯或磨削一般精度的工件，適用于成批生產。磨頭的回轉、機動進給和快速升降、工作臺的回轉和移動，都分別采用單個電機驅動。M7475B平面磨床結構如圖所示。圖2-1M7475B平面磨床結構簡圖2.2立柱磨頭受力概況M7475B平面磨床M7475B平面磨床屬于立軸圓臺平面磨床，采用砂輪端面磨削。它的立柱結構主要受砂輪架的重力和端面磨削時產生的磨削力，其中端面磨削時產生的磨削力分為切向力，法向力，和縱向進給產生的軸向力。在本課題中估算砂輪架的重力G=1500N,磨削力的相關計算如下：2.2.1砂輪速度的計算———砂輪速度（m/s）———砂輪直徑（mm）———砂輪轉速（r/min）本課題中砂輪直徑為450mm，為970r/min，代入數據計算得出：=22.86m/s2.2.2軸向磨削力的計算本課題考慮磨床加工鑄鐵時的受力情況,軸向磨削力的計算公式如下：[10]———去除單位體積的磨屑所需的能，(見表1)，kgf／mm———砂輪線速度，mm／s———磨粒為圓錐形時的錐頂半角，計算時一般取~R———電磁工作臺半徑，mm———工作臺單位時間所轉動的圈數，r／s———工件單位時間垂直進給量,mm/s表1各種工件材料的值（GB80RA和TL80RA）工件材料花崗巖硅純鐵鑄鐵高速鋼(kgf/mm)4305502804901800本課題中取=1mm/min,電磁工作臺的轉速=20r/min，電磁工作臺半徑R=375mm，取最大值，代入公式計算得出=1330N（軸向磨削力）。2.2.3切向磨削力和法向磨削力的計算：根據切向力估算公式，式中為砂輪的切向力,為電機的輸入功率（kw）,為電機的傳動效率,為砂輪的轉速（r/s）,為砂輪的直徑(mm)。所研究磨床的主電機功率是25kw,砂輪轉速16.17r/s,砂輪直徑450mm。將相應的數據代入公式可得砂輪的切向力=1083N,根據文獻[22]工程上加工鑄鐵材料工件時法向力和切向力之比/=0.35，求得法向力=3093N。磨床立柱受力分析示意圖2-2、2-3。圖2-2磨床立柱受力分析示意圖圖2-3磨床立柱受力分析示意圖2.3磨床振源頻率的確定磨床在工作過程中受到多種激振頻率的影響,其中以主軸電機和機動進給驅動電機的影響最為明顯。M7475B平面磨床所使用的主軸電機轉速為970r/min,機動進給驅動電機的轉速為1410r/min,電機轉動引起的受迫振動的頻率可由共求出，則主軸電機引起的頻率為16.17Hz,機動進給驅動電機引起的頻率為23.5Hz。電機在使用過程中,由于轉子繞組不對稱,使得定子和轉子主磁力波相互作用的徑向分量引起振動,即,由成對磁極產生的電磁拉力引起振動,其頻率是電機轉動頻率的2倍。據此,考慮磁拉力的影響,主軸電機引起的振動頻率為32Hz,機動進給驅動電機引起的振動頻率為47Hz。2.4本章小結 本章針對M7475B平面磨床采用立軸圓臺端面磨的特點，分別近似模擬出立柱所受磨削力的示意圖，并查閱相關文獻計算出磨削力的大小。在這里有一點需要說明的是，在本課題中法向磨削力的方向近似與立柱結構的對稱中心相平行，而在實際加工情況下法向磨削力的方向是與立柱對稱中心偏離一個微小角度的。這樣做是為了簡化計算，并且簡化對于結果影響不大。第三章立柱結構有限元模型的建立3.1PRO/E與ANSYS的連接ANSYS軟件提供了與大多數CAD軟件進行數據共享和交換的圖形接口,ANSYS自帶的圖形接口能識別IGES、ParaSolid、CATIA、Pro/E、UG等標準的文件，使用這些接口轉換模型的方法很簡單,只要在CAD中將建好的模型使用另存為或者導出命令,保存為ANSYS能識別的標準圖形文件,通常使用的有IGES和ParaSolid文件，在ANSYS中使用File->Import導入模型,然后進行模型拓撲結構修改。對于CATIA和Pro/E等CAD軟件,ANSYS能直接識別它們的文件,不需要另存其他格式的文件。使用這些圖形接口雖然快速方便,但是往往會出現很多問題,甚至會發(fā)生不能識別的問題。例如IGES文件是ISO標準中規(guī)定的標準圖形交換格式之一,IGES作為一種表達產品數據并將其轉換成中性文件格式的行業(yè)標準,實現文件之間的交換具有很大的優(yōu)勢,但是ANSYS對IGES的支持不夠,在導入IGES文件的時候,無法識別小的幾何元素,造成所生成拓撲結構不連續(xù),無法生成實體,導入的模型只是由一些面組成，而且,ANSYS讀入IGES所需的時間很長。ANSYS軟件為了擴充與其他CAD軟件之間的接口的功能,開發(fā)設置了ANSYS與Pro/E的連接模塊,安裝的時候必須選擇ANSYSConnectionForPro/ENGINEER模塊(代號82)，這個模塊的功能就是將Pro/E里面的模型生成ANSYS的命令流文件,這個命令流文件的擴展名是anf,ANSYS讀入anf文件后,即可自動將模型建好,而且這樣建立的模型幾乎沒有誤差。3.2立柱結構建模方法利用Pro/ENGINEER三維建模軟件建立模型如下：3.3立柱有限元模型由于磨床在工作的過程中,工作狀況比較復雜,受多方面因素的影響,所以進行有限元分析時,為簡化計算,需要假設認定磨床材料是各向同性材料,密度均勻分布,在工作過程中始終處于彈性階段，并且假定位移和變形都是微小的[12]。磨床立柱結構模型相對復雜，在導入ANSYS進行分析前需要對模型進行相應的簡化，如去除相應圓倒角、凸臺、螺釘孔、銷孔、圓角以及退刀槽等對分析結果影響不大的細節(jié)結構[13]，在本課題中根據實際情況去除了大部分的圓倒角，這樣可以簡化電腦運算時間，并且對有限元分析結果影響甚微。有限元模型的生成如下圖:3.4本章小結本課題采用三維CAD軟件Pro/ENGINEER對M7475B型磨床立柱結構進行建模，并將三維模型導入ANSYS有限元分析軟件以實現數據的共享和交換，生成有限元模型。第四章立柱結構有限元靜力學分析4.1有限元方法簡介有限元方法是用于求解工程中各類問題的數值方法。結構強度、剛度分析中的靜力、線性或者非線性問題，熱傳導中穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)或者熱應力問題，以及流體力學和電磁學中的很多問題都可以用有限元方法解決。有限元方法的基本步驟如下:將實際求解范圍離散化，即將求解域劃分成節(jié)點和單元。選擇合適的形函數，即選擇一個用單元節(jié)點解描述整個單元解的連續(xù)函數。對每個單元建立單元剛度矩陣。按照一定節(jié)點編碼順序，將各個單元剛度矩陣疊加以構造結構整體剛度矩陣。寫出以節(jié)點自由度（DOF）為未知量的結構整體剛度方程，并將邊界條件、初始條件應用到方程中。求解步驟（5）中得到的方程組，以得到節(jié)點上的自由度值。根據節(jié)點的值和形函數，得到其他的物理量。例如，應力、支座反力、彎矩圖、熱流量等。4.2ANSYS軟件簡介ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數CAD軟件接口，實現數據的共享和交換，如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等，是現代產品設計中的高級CAD工具之一。4.2.1ANSYS的組成及主要技術特點:軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型；分析計算模塊包括結構分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結構內部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結構和材料。4.2.2A有限元分析的一般流程為：（1）從三維實體建模模塊進入有限元分析模塊。（2）在實體上施加約束。（3）在實體上施加載荷。（4）計算（包括網格自動劃分），解方程和生成應力應變結果。（5）分析計算結果，單元網格、應力或變形顯示。（6）對關心的區(qū)域細化網格、重新計算。4.3立柱結構的ANSYS結構剛度分析4.3.1定義單元類型由于磨床立柱模型比較復雜，不宜簡化為板、殼單元的有限元模型,需要采用三維實體單元對磨床結構進行網格劃分。本課題中采用軟件提供的solid92單元進行網格劃分。該單元為10節(jié)點四面體結構線性單元,每個節(jié)點有沿X、Y和Z方向的三個平移自由度,并且單元有可塑性、蠕動、膨脹、應力鋼化,大變形,和大張力的能力，如圖4-1。4.3.2定義材料屬性M7475B磨床立柱采用材料HT300，材料詳細信息如下表表4-115結構剛度分析所需材料屬性信息材料名稱楊氏彈性模量EX泊松比PRXYHT300N/0.27圖4-1SOLID92幾何模型4.3.3網格劃分由于磨床立柱結構比較復雜,建模的時候出現了很多小線段,采用智能網格劃分時容易在不重要的局部結構上產生過多的單元，而采用整體控制單元尺寸的自由網格劃分方法,單元的數目可明顯減少，這樣就簡化了計算機進行分析計算的時間。因此,進行網格劃分時,合理選擇整體單元尺寸為80mm,采用自由網格劃分,最后得到的平面磨床整體結構的有限元模型如圖4-2所示。圖4-2立柱有限元模型網格劃分圖4.3.4施加約束因立軸圓臺平面磨床磨削工件分粗磨和精磨兩種。粗磨時，為提高磨削效率，可將砂輪軸在垂直平面內旋轉一個角度，即用傾斜的砂輪端面磨削；精磨時，必須用水平砂輪磨削。為適應砂輪主軸的旋轉角度，本機床采用立柱三點調整裝置，即在立柱與床身的結合處安裝三套螺釘調整裝置，每套相隔距離一致。所以本課題中在三個螺釘調整裝置孔的圓柱面上施加約束，定義ALLDOF值為0，約束后的結果如圖4-3所示。圖4-3施加約束后立柱有限元模型4.3.5施加載荷立柱主要承受砂輪架重力、磨削力以及重力和磨削力所帶給它的彎矩，將重力以及磨削力以均布力的形式施加到立柱上，并且將彎矩簡化成力偶矩，選擇合適的力臂，經計算得出力偶中力的大小，同時為了避免單個力施加在單個節(jié)點上可能引起的應力集中，將力偶簡化成均布力施加在多個節(jié)點上，如此對立柱進行載荷的施加，結果如圖4-4所示。圖4-4施加載荷后立柱有限元模型4.3.6計算結果進入求解器MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS。求解完成后，進入通用后處理器觀察計算結果。床身變形如圖4-5、4-6、4-7、4-8所示。圖4-5X方向位移變形云圖圖4-6Y方向位移變形云圖圖4-7Z方向位移變形云圖圖4-8立柱總位移云圖從位移云圖中可以看出，立柱導軌位移最大，且導軌右半部分有明顯位移，達到0.01毫米，這與磨床電磁工作臺的轉向相符合。圖4-9X方向應力云圖圖4-10Y方向應力云圖圖4-11Z方向應力云圖圖4-12立柱總應力云圖從應力云圖（圖4-9、4-10、4-11、4-12）來看，該型號磨床立柱受載后平均應力不高，基本不會形成應力集中，總體來說滿足強度要求。4.4本章小結本章對M7475B平面磨床的立柱結構進行了靜力學分析，綜合分析結果，需要注意以下幾點：（1）磨床立柱結構在靜載下的變形量都比較小,最大變形量在0.01mm左右；（2）在實際應用中，M7475B平面磨床立柱的受力情況隨加工工件的不同而不同，本課題只考慮了加工鑄鐵工件時的受力情況，對于加工其它工件時立柱受力，有待進一步研究探討。（3）實際加工過程中，磨床立柱還會收到熱應力的影響，在本課題中也作了忽略。第五章模態(tài)分析機床的動態(tài)特性是影響機床性能的重要因素,直接影響著工件的加工精度和生產效率,隨著機床加工性能的不斷提高,對機床動態(tài)特性的要求也愈來愈高。所以,有必要在靜態(tài)分析的基礎上對磨床結構進行進一步的動態(tài)分析,包括對磨床立柱原始結構及其改進結構的模態(tài)分析。結構的固有頻率是衡量結構動態(tài)特性的重要指標,磨床立柱本身的固有頻率對整機的動態(tài)特性有重要影響，在遠離振源頻率的前提下,提高立柱的固有頻率可以改善整機的動態(tài)特性,從而減小磨床加工過程中的變形[14]。5.1磨床動態(tài)特性參數磨床的動態(tài)性能是指機床系統(tǒng)在振動狀態(tài)下的特性,是一項綜合性的指標,主要指標有：1.固有頻率和主振型,固有頻率表示彈性系統(tǒng)每秒的振動次數（單位Hz）,可以用下式來表示：其中為k系統(tǒng)剛度,m為系統(tǒng)質量。多自由度的振動系統(tǒng)有多個主振動,每個主振動中,系統(tǒng)各個坐標之間振動位移的比值,稱為主振型。2.動剛度,是指系統(tǒng)抵抗動載荷引起變形的能力,可以表示為：式中,F為激振力,A為共振振幅。一般來說動剛度要小于靜剛度,而且隨著阻尼比的變化而變化。3.當量靜剛度,當系統(tǒng)的靜剛度用動剛度和阻尼比來表示時,稱為當量靜剛度。當量靜剛度是指結構發(fā)生共振時的靜剛度?？梢杂孟率奖硎荆河缮峡芍?機械系統(tǒng)的振動特性主要取決于：(1)系統(tǒng)的靜剛度K；(2)激振力條件,如激振頻率ω、激振力F的大小等；(3)系統(tǒng)的物理特性,如質量、固有頻率等。5.2模態(tài)分析的基本思想模態(tài)分析屬于結構動力學分析，它與靜力分析的主要區(qū)別是動力學分析需要考慮慣性力和運動阻力的影響。5.3模態(tài)分析的基本理論模態(tài)分析用于確定設計結構或機器部件的振動特性（固有頻率和振型），即結構的固有頻率和振型，它們是承受動態(tài)載荷結構設計中的重要參數。同時，也可以作為其它動力學分析問題的起點，例如瞬態(tài)動力學分析、諧響應分析和譜分析，其中模態(tài)分析也是進行譜分析或模態(tài)疊加法諧響應分析或瞬態(tài)動力學分析所必需的前期分析過程。ANSYS的模態(tài)分析可以對有預應力的結構進行模態(tài)分析和循環(huán)對稱結構模態(tài)分析。前者有旋轉的渦輪葉片等的模態(tài)分析，后者則允許在建立一部分循環(huán)對稱結構的模型來完成對整個結構的模態(tài)分析。ANSYS產品家族中的模態(tài)分析是一個線性分析。任何非線性特性，如塑性和接觸（間隙）單元，即使定義了也將被忽略。ANSYS提供了七種模態(tài)提取方法，它們分別是子空間法、分塊Lanczos法、PowerDynamics法、縮減法、非對稱法、阻尼法和QR阻尼法。阻尼法和QR阻尼法允許在結構中存在阻尼，本課題中采用的是子空間法。5.4模態(tài)分析的一般過程模態(tài)分析的主要步驟為：(1)建立有限元模型模態(tài)分析所用的離散模型與結構靜態(tài)分析時所用的模型可以相同，否則就應該在前處理中定義單元類型，單元實常數，材料特性和模型的幾何性質。需要指出的是，建立模型時所定義的單元應該是線性單元。材料模型可以是線性的、各向同性的或各向異性的，但是必須通過彈性模量和密度或者以其他方式對材料的剛度和質量進行定義。(2)施加載荷并進行求解這一步主要定義分析類型、指定分析設置、定義載荷和邊界條件、指定加載過程設置，然后進行固有頻率的有限元求解，在得到初始解后，應該對模態(tài)進行擴展以供查看。(3)擴展模態(tài)從嚴格意義上來說，“擴展”這個詞意味著將減縮解擴展到完整的DOF集上?！皽p縮解”常用主DOF表達。而在模態(tài)分析中，我們用“擴展”這個詞指將振型寫入結果文件。也就是說，“擴展模態(tài)”不僅適用于Reduced模態(tài)提取方法得到的減縮模型，而且也適用于其他模態(tài)提取方法得到的完整振型。因此，如果想在后處理器中查看振型，必須先擴展之(也就是將振型寫入結果文件)。(4)觀察結果和后處理模態(tài)分析的結果(即擴展模態(tài)處理的結果)被寫入到結構分析的結果文件Jobname.RST中。分析包括：固有頻率、已擴展的振型、相對應力和力分布?？梢栽赑OST1[/POST1]即普通后處理器中觀察模態(tài)分析結果。5.5M7475B平面磨床立柱的模態(tài)分析5.5.1定義單元類型由于磨床立柱模型比較復雜，不宜簡化為板、殼單元的有限元模型,需要采用三維實體單元對磨床結構進行網格劃分。本課題中采用軟件提供的solid92單元進行網格劃分。該單元為10節(jié)點四面體結構線性單元,每個節(jié)點有沿X、Y和Z方向的三個平移自由度,并且單元有可塑性、蠕動、膨脹、應力鋼化,大變形,和大張力的能力。定義材料屬性磨床立柱采用材料HT300，材料詳細信息如下表:表5-1模態(tài)分析所需的材料屬性信息材料名稱密度Density楊氏彈性模量EX泊松比PRXYHT3007800kg/N/0.275.5.3網格劃分磨床立柱結構比較復雜,建模的時候出現了很多小線段,采用智能網格劃分時容易在不重要的局部結構上產生過多的單元，而采用整體控制單元尺寸的自由網格劃分方法,單元的數目可明顯減少，這樣就簡化了計算機進行分析計算的時間。因此,進行網格劃分時,合理選擇整體單元尺寸為80mm,采用自由網格劃分,最后得到的平面磨床整體結構的有限元模型如圖4-2所示。5.5.4施加約束立軸圓臺平面磨床磨削工件分粗磨和精磨兩種。粗磨時，為提高磨削效率，可將砂輪軸在垂直平面內旋轉一個角度，即用傾斜的砂輪端面磨削；精磨時，必須用水平砂輪磨削。為適應砂輪主軸的旋轉角度，本機床采用立柱三點調整裝置，即在立柱與床身的結合處安裝三套螺釘調整裝置，每套相隔距離一致。所以本課題中在三個螺釘調整裝置孔的圓柱面上施加約束，定義ALLDOF值為0。5.5.5分析計算進入求解器MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS。求解完成后，進入通用后處理器觀察計算結果。分析計算磨床立柱各階振型頻率如表5-2所示：表5-2磨床立柱各階振型頻率振型階數12345振型頻率（Hz）100.74131.60251.04446.99460.80最大變形（mm）1.7691.7412.1675.982.475.5.6觀察結果磨床立柱模態(tài)分析各階振型圖如下：圖5-11階振型節(jié)點位移變形云圖圖5-22階振型節(jié)點位移變形云圖圖5-33階振型節(jié)點位移變形云圖圖5-44階振型節(jié)點位移變形云圖圖5-55階振型節(jié)點位移變形云圖由第二章磨床振源頻率的確定可知主軸電機引起的振動頻率為32Hz,機動進給驅動電機引起的振動頻率為47Hz。分析計算結果中1階振型頻率為100.74Hz，1階固有振型頻率已經遠離驅動電機所引起的振動頻率，而2到5階振型頻率更難達到，所以不容易引起磨床立柱的共振。5.6本章小結本章節(jié)通過對磨床立柱的有限元模型進行動力學模態(tài)分析，掌握了立柱各階振型下所引起的變形情況，通過觀察振型頻率和變形，了解原結構設計存在的缺陷，為后面磨床立柱的結構優(yōu)化設計，提高磨床加工精度奠定了數據基礎。第六章立柱結構優(yōu)化設計6.1優(yōu)化設計概況6.1.1優(yōu)化設計的發(fā)展機械優(yōu)化設計應用的發(fā)展歷史，經歷了由懷疑、提高認識到實踐收效，從而引起廣大工程界日益重、視的過程。在60～70年代，計算機價格昂貴，優(yōu)化設計在應用實踐方面多數限于高等院校、研究所和少數大型企業(yè)中開展。從70年代到80年代，計算機價格大幅度下降，優(yōu)化設計應用的誘人威力，市場競爭日益激化，作為產品開發(fā)和更新的第一關是如何極大地縮短設計周期、提高設計質量和降低設計成本已成為企業(yè)生存的生命線，從而引起廣大企業(yè)和設計師的高度重視。用優(yōu)化設計方法來改造傳統(tǒng)設計方法已成為競相研究和推廣并可帶來重大變革的發(fā)展戰(zhàn)略，優(yōu)化設計在設計領域中開拓了新的途徑。6.1.2優(yōu)化設計的概念機械優(yōu)化設計是將機械工程的設計問題轉化為最優(yōu)化問題，然后選擇適當的最優(yōu)化方法，利用電子計算機從滿足要求的可行設計方案中自動尋找實現預期目標的最優(yōu)化設計方案。設計步驟：把實際機械設計問題轉化為數學模型，然后根據數學模型的特性，選擇某種適當的優(yōu)化方法及其程序，通過電子計算機，求得最優(yōu)解。6.1.3優(yōu)化設計的經濟效益機械優(yōu)化設計是把數學規(guī)劃理論與計算方法應用于機械設計，按照預定的目標。借助于電子計算機的運算尋求最優(yōu)設計方案的有關參數，從而獲得好的技術經濟效果:(1.)可以降低機械產品成本，提高它的性能;(2)優(yōu)化設計過程中所獲得的大量數據，可以幫助我們摸清各項指標的變化規(guī)律，有利于對今后設計結果作出正確的判斷，從而不斷提高系列產品的性能;(3)用優(yōu)化設計方法可合理解決多參數多目標的復雜產品設計問題。6.1.4優(yōu)化設計發(fā)展方向21世紀機械優(yōu)化的對象已不是簡單的機械零部件，而是復雜的零部件、整機直至系列產品和組合產品(統(tǒng)稱為復雜系統(tǒng))。主要向兩個方向發(fā)展：1.對產品的性能要求由單一性要求發(fā)展到多性能和全性能要求，這將導致基于復雜系統(tǒng)多性能和全性能要求的優(yōu)化。2.從產品的單一設計優(yōu)化發(fā)展到產品的加工制造、使用、維修與管理直至回用的全壽命周期優(yōu)化。6.2機床結構設計準則為使機床具有較好的加工性能和經濟效益,機床的設計一般應當滿足以下的準則：具有較廣的工藝范圍,能滿足各種零件加工的需要較高的精度,包括幾何精度,運動精度和傳動精度等高可靠性,要求機床在規(guī)定的使用期內盡可能少發(fā)生故障[17]。另外,設計不能單純從結構上考慮,有關人機關系的因素,外觀、制造、裝配和維修的方便性等問題也都必須予以注意，即,機床的設計必須使其結果在技術上是可以接受的,在外觀上是令人滿意的,并且在經濟上是有競爭能力的。機床大件是整臺機床的基礎和支架,其它零部件以它們作為支承、固定和運動的基礎,所以床身、立柱、拖板等大件,是決定整機性能的關鍵件。機床大件的功能主要有如下方面的要求[18]：1.靜剛度要求高,在最大允許載荷時,變形量不超過規(guī)定值；在大件本體移動時,或其它部件在大件上移動時,靜剛度的變化應小。2.動剛度要好,在預定的切削條件下工作時,能穩(wěn)定地達到預期的加工精度。3.連接剛度要好,結構要合理,便于調整和裝卸。4.溫度場分布合理,工作時的熱變形對加工精度影響小。5.導軌面受力合理,耐磨性要好。6.結構設計合理,材質穩(wěn)定,能長期保持規(guī)定精度。7.排屑容易,冷卻液和潤滑油的渠道暢通,而且不漏油或透油。8.重量要輕,體形要合理,便于吊裝和運輸。由此可見,一個好的結構不僅要有良好的靜態(tài)性能,還要有良好的動態(tài)和熱態(tài)性能,在此條件下還要盡量減小質量,節(jié)省材料,降低成本。6.3結構改進優(yōu)化一般機械結構系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化準則為：①提高各階固有頻率；②各階固有頻率盡量均布；③避免固有頻率與外界激勵頻率一致引起共振；④各子結構的動剛度不出現明顯薄弱環(huán)節(jié)。6.3.1立柱結構優(yōu)化方案一在本優(yōu)化方案下，在立柱底座垂直邊角出加了一邊兩條共四條斜筋板（見圖6-1），并將改進后的立柱結構導入ANSYS軟件進行模態(tài)分析，計算磨床立柱各階振型頻率如表6-1。表6-1磨床立柱改進型1各階振型頻率振型階數12345振型頻率（Hz）108.35135.54259.68448.55467.86最大變形（mm）1.7861.752.1986.3922.808圖6-1磨床立柱改進型1有限元模型表6-2磨床立柱改進型1各階振型頻率與原結構振型頻率的比較振型階數12345原有結構振型頻率（Hz）100.74131.60251.04446.99460.80改進型1振型頻率（Hz）108.35135.54259.68448.55467.86通過比較磨床立柱改進型1有限元模型各階振型頻率與原設計結構振型頻率可以看出，改進型1由于在立柱底座兩邊加了4個斜筋板，各階振型均有所提高，影響立柱動態(tài)特性的主要因素是立柱的第一、第二階固有頻率，其中尤其以第一階固有頻率的影響最為明顯，而在本優(yōu)化方案中，一階振型頻率比原設計結構一階振型頻率提高了約8Hz，表明本優(yōu)化方案效果明顯，有效地提高了一階固有頻率使其更加遠離能引起立柱共振的驅動電機頻率。本優(yōu)化方案立柱結構模態(tài)分析結果如圖6-2、6-3、6-4、6-5和6-6所示。圖6-2磨床立柱改進型1一階振型圖6-3磨床立柱改進型1二階振型圖6-4磨床立柱改進型1三階振型圖6-5磨床立柱改進型1四階振型圖6-6磨床立柱改進型1五階振型6.3.2立柱結構優(yōu)化方案二在本方案中，對立柱中筋板的厚度和寬度均有所加大，其中筋板厚度加厚8mm，筋板寬度加厚20mm（如圖6-7）。在PRO/E中修改原模型，優(yōu)化完畢后導入ANSYS軟件進行模態(tài)分析，分析計算后，在通用后處理器中觀察各階振型頻率的變化，本優(yōu)化方案立柱振型頻率結果如表6-3所示。表6-3磨床立柱改進型2各階振型頻率表振型階數12345振型頻率（Hz）99.76132.75254.71448.21467.30最大變形（mm）1.751.6892.1985.8183.366本優(yōu)化方案立柱結構模態(tài)分析結果如圖6-8、6-9、6-10、6-11和6-12所示。圖6-7磨床立柱改進型2有限元模型圖6-8磨床立柱改進型2一階振型圖6-9磨床立柱改進型2二階振型圖6-10磨床立柱改進型2三階振型圖6-11磨床立柱改進型2四階振型圖6-12磨床立柱改進型2五階振型磨床立柱改進型2各階振型頻率與原結構振型頻率的比較表振型階數12345原有結構振型頻率（Hz）100.74131.60251.04446.99460.80改進型2振型頻率（Hz）99.76132.75254.71448.21467.30從磨床立柱結構改進型2各階振型頻率與原結構各階振型頻率的比較表中可以看出，除了一階振型無明顯變化外，2到5階振型均有所提高，在改進方案二下第二到五階固有振型頻率均有所提高，但立柱一階固有振型頻率有微小降低，一階振型最大位移變形量也有所降低，不過固有頻率降低了0.97%，最大位移變形量降低了1.07%,固有頻率降低幅度小于最大位移變形量降低幅度，