基于ANSYS的定梁龙门机床横梁静力学特性分析 .pdfVIP

基于ANSYS的定梁龙门机床横梁静力学特性分析

曹明;宋春明;张东生;宁伟;余清华

【摘要】为计算龙门机床横梁在自重下的应力及变形，分析其变形是否满足设计

的精度要求，采用有限元方法，通过有限元分析软件ANSYS，分析计算出了横梁

不同方向的应力和变形，结果表明：最大变形为14.3μm，出现在横梁中部重力作

用方向，最大应力为4730000Pa，集中在支柱与横梁连接处。

【期刊名称】《制造业自动化》

【年(卷),期】2015(000)005

【总页数】3页(P87-89)

【关键词】龙门机床;横梁;有限元分析;静力学特性

【作者】曹明;宋春明;张东生;宁伟;余清华

【作者单位】陕西理工学院，汉中723003;陕西理工学院，汉中723003;陕西理

工学院，汉中723003;陕西理工学院，汉中723003;汉川数控机床股份公司，汉

中723003

【正文语种】中文

【中图分类】TG254

0引言

大型龙门机床具有加工跨距大、加工效率高、刚度高的特点，适用于批量或高精度

加工，在航空、汽车等多种领域应用广泛[3]。横梁是龙门机床的主要支承部件，

其结构和静、动态力学特性直接影响机床的加工精度。

本文针对陕西汉川机床有限公司正在研发的某型定梁龙门机床，通过SolidWorks

软件建立其横梁的三维实体模型，然后应用ANSYS软件，对其进行静力特性分析，

得出横梁在自身重力作用下的变形和应力，查看变形量是否满足机床设计的精度要

求并且分析横梁受力的薄弱环节。

1有限单元法静力分析理论

有限元分析的基本思想是将一个连续的求解域离散化，两个相邻单元之间只通过若

干节点相互连接，单元与单元之间仅通过节点传递力。以单元节点位移为未知参数

并假设单元体内位移函数的近似模式，找出单元体中节点力和节点位移之间的关系。

通过求解节点平衡方程组，得出各节点的未知参数—位移。利用节点位移，代入

单元位移模式方程，求出位移模式待定系数，得到具体的单元位移函数，进而利用

弹性力学几何方程、物理方程求出单元体内任一点的应变、应力。

单元体内的位移方程为：

式中u为节点位移向量，N为形函数矩阵，x为单元体任一点位移向量。

小变形情况下的位移应变关系为：

式中L为微分算子，ε为应变向量。

根据式(1)、式(2)得到：

式中B为转换矩阵。

在线弹性情况下，结构材料的应力-应变关系为：

式中σ为应力向量，D为弹性矩阵。

根据虚功原理，得到单元刚度矩阵的表达式：

式中Ke为单元刚度矩阵。

将单元刚度矩阵整合为整体刚度矩阵，得到位移与力之间的关系为：

式中K为整体刚度矩阵，F为载荷向量。求解后可获得各节点的位移，在基本解的

基础上，进一步得到应力应变等。

2横梁的结构和载荷特点分析

2.1横梁结构分析

焊接结构横梁一般不能满足抗弯及抗扭刚性，所以龙门机床横梁大多采用铸造结构。

本文分析的横梁三维实体模型如图1所示。

图1横梁三维实体图

定梁龙门机床的横梁固定在两侧立柱上，工作台做Z向移动，主轴箱做X、Y向移

动，实现对工件的加工。横梁主要承载机床作业中的载荷，抵抗变形，保证加工精

度。横梁内部分布有筋板，筋板的形式及其分布状态，可以在一定程度上提高横梁

的局部刚度，导轨安装在导轨槽内以保证主轴箱的运动精度。

2.2横梁载荷特点分析

横梁是机床的主要支承件，直接决定机床的加工精度。一般通过两端的固定座安装

在两立柱上，主轴箱部件在其上做横向移动和纵向进给。横梁的受力为两点简支梁

支承形式，引起横梁变形的主要原因是自身重力和加工时的切削力[3]，当只考虑

自重时，在立柱支点内侧，横梁会在重力方向形成弧面弯曲，支点外侧轻微翘曲。

对横梁进行静力学分析就是考虑在固定载荷下横梁产生的结构位移、应变和应力。

3基于ANSYS的横梁结构静态分析

3.1横梁有限元模型的建立及网格划分

本文利用三维建模软件SolidWorks对龙门机床横梁部件进行建模，然后以中间文

件导入ANSYS系统，建立对应的有限元模型。

ANSYS单元类型的选择直接影响到求解是否能够顺利进行以及求解的准确性。本

文采用的SOLID187单元是一种高阶3维10节点固体结构单元，单元支持塑性，

超弹性，蠕变，应力刚化，大变形和大应变能力[5]。

有限元的网格包括了数据和单元信息，正确划分网格是进行有限元分析的先决条件。

网格单元尺寸越小，划分越