基于有限元的车床车身结构优化的研究.pdf

科学技术 基于有限元的车床车身结构优化的研究 刘  静 （新乡职业技术学院，河南  新乡  453000） 1 国内的研究现状 析计算。 目前国内在机床结构优化领域的研究比较活跃，机床结构优化设 20世纪60年代后期，随着计算机技术的发展，有限元方法开始逐 计的内容十分丰富，涉及内容很多，包括静力学，结构非线性分析， 步应用于工程实践。有限元方法作为一种数值计算方法，它具有很多 拓扑优化，模态分析，动力学分析等。目前有限元方法在机床结构设 突出的优点，并在此基础上出现了大量的CAE软件(如美国ANSYS公司研 计中的应用主要有以下几个方面:(1)静力学分析。这是对二维或者三 制的大型通用有限元分析软件;MSC的MS.CNasrtna和MS.CPartna等)，从 维机床零件承载后的应力和应变的分析，是有限元在机床设计中最 而实现了计算机技术和有限元理论的结合，大大提高了机床结构设计 基本、最常用的分析类型.(2)模态分析。这是动力学分析的一种，用 的效率和质量。当前，采用有限元方法，建立机床结构的静、动力学 于研究结构的固有频率和各振型等振动特性。进行这种分析时所施加 模型己经成为机床理论建模普遍采用的方法。 的载荷只能是位移载荷和预应力载荷.(3)谐响应分析和瞬态动力学分 3 有限元方法的实际应用 析。这两类分析也属于动力学分析，用于研究机床对周期载荷和非周 有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经 期载荷的动态响应.(4)热应力分析。用于研究结构内部温度的分布， 成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径。在车床的设计中，利 以及及机床内部的热应力.(5)接触分析。用于分析两个结构件接触时 用有限元方法对其组成部件进行严密的分析和计算，得出满足工程精 的接触面状态和法向力。 度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程 国内的机床结构优化设计主要是应用在刚度和强度分析方面。广 需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。湖南大学的贺兵等人在 西大学陈文锋、毛汉领MXBS一1320型高速外圆磨床动态性能的试验研 基于ANSYs的超高速平面磨床结构优化设计一文中指出，提高机床零 究0=1]一文中，对MXBs一1320型高速外圆磨床的动态性能使用脉冲激 部件的第一固有频率是提高机床刚性，避免共振，降低振幅的有效措 振法进行了试验研究，得到磨床前几阶模态的频率和振型图，寻找出 施，用有限元方法对超高速平面磨床的床身和立柱及其改进结构进行 机床振动的薄弱环节和主要振源，并提出一些机床改造的措施。对主 模态分析能够得到提高第一阶固有频率的各种结构，不同结构对提高 要零部件进行有限元分析，优化零部件结构的设计。东南大学和无锡 第一固有频率的影响都不同。对立柱而言，()l加翼特别是加箱翼，两 机床股份有限公司对内圆圆磨床MZ120A床身结构进行有限元分析，得 条三角形翼可提高第一固有频率，并且随着翼的尺寸的增加，固有频 到床身前几阶的固有频率和振型，分析床身的内部筋板布置对结构动 率随之增加。(2)增加水平筋板的数目和减小窗口，对提高固有频率的 态特性的影响。张海伟，利用动态实验分析和理论模型分析两种方法 影响不大。就床身而言，()l随开窗数目，尺寸的增加，第一固有频率 对卧式加工中心的动态性能进行了分析=3]，通过实验测试数据与理论 随之降低。(2)全封闭部分横向筋板清砂口可大大提高第一固有频率， 计算结果对比分析，验证了理论模型的合理性，找出了机床的薄弱环 而调整筋板的数目不能很好的达到目的。 节，并进行了结构优化。优化后分析结果证明，机床结构的最大变形 利用有限元方法可以分析出形状相同，壁厚不同的车床床身模型 值都相应降低。陈庆堂，运用工程软件ANS丫S的优化设计模块，根据 受力后的变形情况，并可分析开孔位置和壁厚对刚度的影响。山东科 主轴箱的实际工况及机床零件加工精度要求，在参数化建