数控外圆磨床床身的有限元分析与优化.pdf

精密制造与自动化
2012年第4期
数控外圆磨床床身的有限元分析与优化
东卫菊钱梅王均涛
(上海机床厂有限公司上海200093
摘要利用 solidworks软件建立了数控外圆蘑床床身的三维模型,并在 simulation软件模块中対其进行了静力
学和模态的有限元分析,根据分析结果对床身的壁厚、搁沙孔型等不合理结构进行修改。结果表明,磨床床身经
有限元分析和优化后,床身的最大应力可以降低2.27%,床身的质量可以减少9,.14%, solidworks分析软件为设
计出性能优良、成本低廉的床身提供了理论支持
关键词磨床床身优化分析模态结构刚度
数控外圆暦床在现代制造加工领域中起着举求解精度,又不会因为网格太密而导致计算费时。在
足轻重的作用,磨床的性能优劣将直接影响加工精 simulation模块中选择基于曲率的网格,最大单元大
度,因此如何提高磨床的性能成了设计成功与否的小为235.242mm,最小单元大小为47.0483mm,雅
关键。
可比点位为4点,进行网格划分,单元总数为55756,
床身是数控外圆磨床的关键和基础部件之一,它节点总数为106502,如图1所示。
起着支撑工件、工作台、头架、尾架和砂轮架等关
键零部件的作用。数控磨床床身结构的设计尺寸和
布局形式,决定了其本身的各种动态特性,即静、动
刚度。往往由于床身结构设计的不合理,导致床身
的刚度不足,引起各种变形和振动,降低了零件的
磨削精度;或按传统的方法进行设计,床身的安全
因数过高,就会造成成本增加。因此,对数控外圆磨
床床身结构的研究显得尤为重要。
随着计算机技术的快速发展,CAE分析软件可
以帮助设计人员有效地解决设计问题,并可以进行
图1数控外圆磨床床身的有限元模型
多种设计方案的比较。运用 solidworks!软件中的
simulation模块对H234数控外圆磨床的床身进行1.3边界条件的定义和载荷的加载
了静力学和模怣分析,并对其结构进行了优化,为
床身通过12个垫铁放置在地基上,在前床身上
设计出性能优良、成本低廉的床身提供了理论支持。有头架、尾架和工件,在后床身上有砂轮架和垫板。其
中:头架为400kg;尾架为200kg;工件为150kg:砂轮
1床身的静力学分析
架和垫板为1500kg。
1.1有限元模型的建立
因此,在机床未工作时,机床床身仅受到头架、
根据己有图纸按照实际尺寸在 solidworks软件中尾架、工件、砂轮架和垫板的重力。由于工件由
建立H234数控外圆磨床床身的三维模型,忽略床身头、尾架顶持,因此作用在头、尾架的工件重力
上的小孔、凸台等细节。床身材料为HT250,其参数为其重力的1/2,砂轮架和垫板作用在后床身的重力
为;密度p=7300kg/m3、弹性模量E=125GPa、为14700N,头架作用在前床身重力为4655N,尾
泊松比=0.25。
架为2695N方向均为Y轴的负方向。
1.2网格划分
1.4应力和应变结果
网格的疏密程度决定求解的难度和精确度,在
运行 simulation模块,进行有限元分析求解,提
般情沅下,选择适当的网格疏密程度,既能保证取计算结果,可以查看到整个床身的应力、变形结
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果如图2(a)、(b)所示。从图2(a)应力云图中可以看矩阵。
出,最大应力值出现在前床身和后床身的结合处,
可求得其特征方程为:
应满足外圆磨床的设计要求,并且要远小于
HT250材料的屈服强度。从图2(b)中可以看出,床
[KL-O[J=0
身最大变形在后床身上表面,最大变形值为即为床身的固有频率。式(2)中表现为一种内在特征,
3.62×103mm,小于1.3x102mm(设计要求)。以只与质量和刚度有关,与外界载荷无关。因此在对
上分析可以看出材料的抵抗破坏能力还很大,即安床身进行模态分析时,采用静力学分析时的模型,
全因数很高,因此可以通过结构优化来合理、经济只有与地面的完全约束,不施加任何载荷。由于低
地使用材料,从而降低成本。
阶模态对振动系统的影响较大,阶数越低影响越大,
所以在对床身的模态分析时并不是求解出全部的频
模型名称:原始床身
算例名称:原始床身静力分析
图解类型:静态节应力应力1
von Mises (N/m)
率和振型,而是求出几阶频率后就可以满足分析的
变形比例:77413.4
1374078.0
1259571.5
需要,在 simulation/模块频率分析中可得到前四阶的
1145065.0
1030558.5
固有频率见表1,振型如图3所示
916052.0
801545.5
87039.0
5725325
458026.0
表1优化前床身前四阶模态结果
3435195
模态阶数固有频率(Hz)
振幅最大位置
9013.0
243.23
114506.5
下摆动前床身右側
256.09
前床身左侧
264.07
弯曲
前床身右側
281.18
上下摆动
前床身左側
(a)床身应力云图
URES (mm)
膜型名称:原始床身
URES (mm)
原始床身
算例名称;原始床身模态分析
3504c+00
原始床身静力分析
3.320e-003
图解类型:率位移1
2800+002
静态位移1
3.018e003
模式形状:1数值=24323Hz
2.545e+002
77413.4
2.716e-4003
变形比例:0.992202
2.036e+002
11e-003
1.782c+002
l.811e-003
1.527e+002
1.509e-003
1.273e+002
1.207e-003
1.018e+002
9.055e004
7.635e+001
6.036e-004
3.018e-00
2.545e+001
1.o00e-030
0.000ef0O0
b)床身变形云图
图2床身应力、变形云图
(a)一阶振型
2床身的模态分析
模态分析是利用有限元的方法将多自由度系统
模型名称:原始床身
算例名称:原始味身模态分析
的自由振动分解为n个单自由简谐振动的叠加,或者
类型:率位移
模式形状:2数值-256.091
说是n个固有频率振动的线性组合。当不考虑外力和
变形比例:2.89657
URES (m)
1.22e+002
阻尼作用时,系统自由振动方程为:
1,124c+002
1,022c+002
「]?+[M(?=0
9,194e+001
8.173e+001
7.151e001
6.129e+001
5.108e+001
式()中:{6={6,}cos(o+q),为