曹明，宋春明，張東生，童國(guó)榮

（1.陜西理工學(xué)院，陜西 漢中 723003；2.漢川數(shù)控機(jī)床股份公司，陜西 漢中 723003）

0 引 言

大型龍門機(jī)床有加工跨距大、加工效率高、剛度高的特點(diǎn)，適用于批量或高精度加工，在航空、汽車等多種領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［3］。而橫梁是龍門機(jī)床的主要支承部件，其結(jié)構(gòu)和靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)特性直接影響機(jī)床的加工精度。

本文針對(duì)陜西漢川機(jī)床有限公司正在研發(fā)的某型定梁龍門機(jī)床，通過SolidWorks 軟件建立其橫梁的三維實(shí)體模型，然后應(yīng)用ANSYS 對(duì)其進(jìn)行靜力特性分析，得出橫梁在自身重力作用下的變形和應(yīng)力值，查看變形量是否滿足機(jī)床設(shè)計(jì)的精度要求，分析橫梁受力的薄弱環(huán)節(jié)，通過對(duì)橫梁筋板的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其靜態(tài)剛度及承載能力。

1 橫梁的結(jié)構(gòu)和載荷特點(diǎn)分析

1.1 橫梁及其內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)

焊接結(jié)構(gòu)橫梁一般不能滿足抗彎及抗扭剛性，所以龍門機(jī)床橫梁大多采用鑄造結(jié)構(gòu)。本文分析的橫梁三維實(shí)體模型及其筋板結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 橫梁及其內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)

定梁龍門機(jī)床的橫梁固定在兩側(cè)立柱上，工作臺(tái)做Z 向移動(dòng)，滑枕帶動(dòng)主軸箱沿橫梁導(dǎo)軌做X 向移動(dòng)，主軸箱做Y 向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加工。橫梁內(nèi)部分布有筋板，主要作用是承載機(jī)床作業(yè)中的載荷，抵抗變形，保證加工精度。

1.2 橫梁載荷特點(diǎn)分析

橫梁是機(jī)床的主要支承件，直接決定機(jī)床的加工精度，一般通過兩端的固定座安裝在兩立柱上，主軸箱部件在其上做橫向移動(dòng)和縱向進(jìn)給。橫梁受力為兩點(diǎn)簡(jiǎn)支梁支承形式，引起橫梁變形的主要原因是自身重力和加工時(shí)的切削力［3］，當(dāng)只考慮自重時(shí)，在立柱支點(diǎn)內(nèi)側(cè)，橫梁會(huì)在重力方向形成弧面彎曲，支點(diǎn)外側(cè)輕微翹曲。對(duì)橫梁進(jìn)行靜力學(xué)分析就是考慮在固定載荷作用下橫梁產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力和應(yīng)變。

2 基于ANSYS 的橫梁結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析

2.1 橫梁有限元模型的建立及網(wǎng)格劃分

本文利用三維建模軟件SolidWorks 對(duì)龍門機(jī)床橫梁部件進(jìn)行建模，然后以中間文件形式導(dǎo)入ANSYS 系統(tǒng)，建立對(duì)應(yīng)的有限元模型。

ANSYS 單元類型的選擇直接影響到求解是否能夠順利進(jìn)行以及求解的準(zhǔn)確性。本文采用的SOLID187 單元是一種高階3 維10 節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元，單元支持塑性、超彈性、蠕變、應(yīng)力剛化、大變形和大應(yīng)變能力［5］。

有限元的網(wǎng)格包括了數(shù)據(jù)和單元信息，正確劃分網(wǎng)格是進(jìn)行有限元分析的先決條件。網(wǎng)格單元尺寸越小，劃分越密集，求解精度也越高，同時(shí)求解過程持續(xù)時(shí)間也越長(zhǎng)，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求越高。所以，應(yīng)該在滿足求解精度的前提下，合理劃分網(wǎng)格，以達(dá)到精、準(zhǔn)、快的要求。鑒于橫梁結(jié)構(gòu)尺寸特點(diǎn)，本文采用網(wǎng)格自動(dòng)生成方法，設(shè)置網(wǎng)格尺寸為30 mm，通過軟件的自動(dòng)分網(wǎng)功能對(duì)橫梁實(shí)體劃分網(wǎng)格。圖2 即為模型網(wǎng)格劃分結(jié)果。

圖2 橫梁有限元網(wǎng)格模型

2.2 橫梁的靜態(tài)特性分析

在進(jìn)行有限元分析之前，首先應(yīng)確定材料屬性。本文分析的橫梁材料為HT300，密度取7 800 kg/m3，泊松比取0.25，彈性模量取1.2×1011Pa。

根據(jù)本型定梁龍門機(jī)床橫梁的裝配形式，約束應(yīng)施加在橫梁下部的兩個(gè)突起平面上，實(shí)行完全約束，如圖3所示。

圖3 橫梁施加約束結(jié)果

本文主要考察橫梁自重的影響，所以載荷應(yīng)是橫梁自身的重力。重力屬于慣性力，加載方式是在重力作用反方向加載重力加速度，本文中的重力加載是在Y 軸正方向加載重力加速度9.8 m/s2。

進(jìn)入ANSYS 求解模塊進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)束后，可以查看橫梁的變形及應(yīng)力，如圖4～圖9 所示，表1 列出了X、Y、Z方向橫梁的最大靜變形和靜應(yīng)力。

圖4 X 方向變形圖

圖5 Y 方向變形圖

圖6 Z 方向變形圖

圖7 X 方向應(yīng)力圖

圖8 Y 方向應(yīng)力圖

圖9 Z 方向應(yīng)力圖

表1 橫梁在重力作用下的應(yīng)力及變形最大值

可以看出，橫梁在自重作用下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在立柱與橫梁連接處的內(nèi)側(cè)，大小為816 000 0 Pa，方向?yàn)閄 軸負(fù)方向；最大變形量為19.4 μm，出現(xiàn)在橫梁中部，方向?yàn)閅 軸負(fù)方向。以上數(shù)據(jù)及圖示表明，橫梁的重力變形不可忽視。為提高其靜剛度，增強(qiáng)其抵抗變形的能力，應(yīng)考慮筋板的結(jié)構(gòu)形式及合理分布。

3 橫梁內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

保持橫梁尺寸不變，將原橫梁內(nèi)部密布的X 型筋板改為橫向和縱向交錯(cuò)的十字型結(jié)構(gòu)。改進(jìn)后的橫梁如圖10 所示。

圖10 優(yōu)化后橫梁及其內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)

在網(wǎng)格劃分、材料特性、約束及載荷條件等不變的情況下，依據(jù)上述ANSYS 分析流程，對(duì)此橫梁進(jìn)行有限元分析。主要查看變形和應(yīng)力最大值方向的結(jié)果，分析結(jié)果如圖11、圖12 所示，結(jié)果顯示，優(yōu)化后橫梁的最大應(yīng)力值為6.69 MPa，；最大變形量為16.9 μm，方向與優(yōu)化前相同。

4 結(jié)果分析

根據(jù)上述分析，表2 列出了優(yōu)化前后橫梁最大靜態(tài)變形和應(yīng)力的對(duì)比情況。

通過以上分析計(jì)算，結(jié)果表明，通過改變橫梁筋板的結(jié)構(gòu)及布局形式，使最大靜變形由19.4 μm 降為16.9 μm，橫梁的靜剛度提高了12.89%；最大靜應(yīng)力由8.16 MPa 降為6.69 MPa，降低了18.01%，顯著改善了橫梁的靜力學(xué)特性。

表2 優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

圖11 Y 方向變形圖

圖12 X 方向應(yīng)力圖

5 結(jié) 語

本文在分析某型龍門機(jī)床橫梁結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用有限元分析軟件ANSYS 對(duì)橫梁的靜力學(xué)特性進(jìn)行快速、精確的分析。通過分析計(jì)算獲得了橫梁的最大變形量和最大應(yīng)力值及其產(chǎn)生部位，并且通過優(yōu)化橫梁筋板結(jié)構(gòu)及其分布，提高了橫梁整體的靜態(tài)特性，為后期的整體結(jié)構(gòu)分析提供了充分的依據(jù)。

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