茅啟園，沈建明

(常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系 ，江蘇 常州　213164)

基于ANSYS Workbench 的加工中心橫梁有限元分析與優(yōu)化*

茅啟園，沈建明

(常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系 ，江蘇 常州213164)

摘要：橫梁是龍門加工中心關(guān)鍵部件之一，其靜動態(tài)特性直接關(guān)系到整機(jī)性能。文章在ANSYS SpaceClaim環(huán)境下建立橫梁實體模型，運用workbench進(jìn)行橫梁靜動態(tài)分析計算，并在其基礎(chǔ)上利用響應(yīng)面法對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。改進(jìn)橫梁的肋板結(jié)構(gòu)尺寸，提高性能，為橫梁優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：加工中心橫梁;靜動態(tài)特性分析；響應(yīng)面法

0引言

加工中心可以實現(xiàn)車銑鉆磨等多種工序的加工，對機(jī)床結(jié)構(gòu)的要求就較高，而加工中心橫梁是龍門型加工中心的重要部件，其靜動態(tài)性能對加工精度的影響較大。本文針對某型號龍門加工中心利用ANSYS SpaceClaim軟件進(jìn)行建模，直接導(dǎo)入到workbench平臺,運用workbench進(jìn)行橫梁靜動態(tài)分析計算，根據(jù)分析結(jié)果，提出優(yōu)化方案，改進(jìn)其該型加工中心的切削加工綜合性能。

1建立橫梁幾何模型

該型龍門加工中心橫梁采用O型筋板結(jié)構(gòu)，為焊接結(jié)構(gòu)。橫梁截面考慮受彎設(shè)計為上窄下寬的梯形結(jié)構(gòu),高820mm、長4850mm、寬770mm,筋板厚度為8mm，橫梁上下壁板的厚度為20mm,橫梁左右壁板的厚度為8mm，背部壁板厚度為8mm。 橫梁不僅受到外部復(fù)雜載荷的影響,還通過滑臺帶動主軸做進(jìn)給運動,為防止薄壁振動,橫梁內(nèi)部有9根8mm的筋板，以中間肋板中面為對稱面均勻分布。

ANSYS SpaceClaim是基于直接建模思想的參數(shù)化模型處理工具，所代表的是一種動態(tài)建模技術(shù)，即對于無論何種來源的模型都可以直接編輯，而無需考慮模型的歷史，不受參數(shù)化設(shè)計中復(fù)雜的關(guān)聯(lián)所約束。通過對橫梁的簡化細(xì)小結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，利用SpaceClaim軟件建立該橫梁的模型。橫梁的材料為型材,泊松比0.3,彈性模量E=143Gpa，所見模型如圖1所示，利用workbench劃分網(wǎng)格后如圖2所示。

圖1　 橫梁模型

圖2　網(wǎng)格劃分

2橫梁結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性分析

橫梁承受的載荷是空間載荷,所受到的載荷主要有靜動載荷兩方面，來源主要有兩方面一是橫梁自重、Z向滑臺以及主軸重量，二是極限工況下切削載荷。橫梁自重通過施加重力加速度實現(xiàn)，同時通過對滑臺自重和徑向切削力進(jìn)行力的平移，滑臺及主軸的自重和徑向切削力都對橫梁是施加一個偏載力矩?？梢源_定的是當(dāng)Z向滑臺以及主軸處于橫梁正中央位置時橫梁所承受的變形達(dá)到最大。施加載荷并對橫梁與立柱接觸面施加固定約束。

通過分析計算,圖3為橫梁結(jié)構(gòu)的總體位移變形云圖所示，圖4、圖5為Y、X各方向的位移變形云圖，橫梁的最大變形量為0.018mm，低于其定位精度0.02mm，符合工程要求。

圖3　橫梁模型總體位移變形云圖

圖4　橫梁模型Y向位移變形云圖

圖5　橫梁模型X向位移變形云圖

3橫梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

機(jī)床是多自由度的振動系統(tǒng)，其振動形態(tài)是復(fù)雜的，為了方便分析假定機(jī)床振動是線性的，所以分析動態(tài)特性可以用模態(tài)分析的方法。通過模態(tài)分析可以確定一個結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，可以判斷振型是否影響加工精度。本文采用的是BLOCK LANCZOS法對機(jī)床主軸進(jìn)行模態(tài)分析。表1為橫梁結(jié)構(gòu)的前6階頻率，圖6、圖7為前2階振型圖。

表1　橫梁分析結(jié)果

圖6　第一階振型圖

圖7　第二階振型圖

由上圖計算分析結(jié)構(gòu)表明，橫梁第1階頻率的影響較大，同時后面幾階的頻率為橫梁筋板的振動，應(yīng)加強(qiáng)筋板強(qiáng)度，提高動態(tài)性能，從而提升加工精度。

4橫梁結(jié)構(gòu)的諧響應(yīng)分析

在銑削過程中,脈沖力為銑刀刀齒上的徑向力,脈沖力的頻率大小為6n/60Hz。相位角忽略不計。得到橫梁各部分的位移-頻率響應(yīng)曲線，橫梁結(jié)構(gòu)的諧響應(yīng)分析結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8　橫梁端部X向位移-頻率響應(yīng)曲線

圖9　橫梁背部X向位移-頻率響應(yīng)曲線

諧響應(yīng)結(jié)果看出由于加工過程中的徑向銑削激振力的存在,橫梁一階固有頻率處，圖8顯示X坐標(biāo)方向橫梁的響應(yīng)位移為1.03e-3mm，響應(yīng)位移較大，表明橫梁的動剛度較小，可通過對橫梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

5橫梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

通過前面的分析可知橫梁的靜態(tài)特性滿足工作性能要求，為進(jìn)一步提高動剛度，對橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化參數(shù)選擇左右壁板尺寸，筋板的厚度尺寸、背部壁板厚度以及中間O型橫梁尺寸。以橫梁總重量與低階固有頻率為優(yōu)化目標(biāo)。

由于直接優(yōu)化分析花費的計算太多，而且無法對設(shè)計提供較好的建議，本文使用響應(yīng)曲面法來進(jìn)行優(yōu)化。采用Optimal Space-Filling Design法設(shè)置樣本點實驗設(shè)計方法以及 CCD樣本類型，響應(yīng)曲面的類型選擇Standard Response Surface ，用二階多項式來擬合。同時在輸入?yún)?shù)中勾選Use Manufacturable Values來選工程實踐中的板材常見規(guī)格尺寸，選擇多目標(biāo)遺傳優(yōu)化算法(MOGA)的進(jìn)行優(yōu)化。橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)與優(yōu)化分析結(jié)果如表2所示，優(yōu)化后橫梁總體位移變形云圖見圖10所示，優(yōu)化后橫梁端部X向位移頻響曲線見圖11所示。優(yōu)化后橫梁背部X向位移頻響曲線見圖12所示。

表2　橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)與優(yōu)化分析結(jié)果

圖10　優(yōu)化后橫梁總體位移變形云圖

圖11　優(yōu)化后橫梁端部X向位移頻響曲線

圖12優(yōu)化后橫梁背部X向位移頻響曲線

目標(biāo)函數(shù)原橫梁優(yōu)化后比較總重量(kg)340834481.2%總變形(mm)0.01820.01763.2%一階頻率(Hz)135.4140.63.9%二階頻率(Hz)157.21602%三階頻率(Hz)165.5182.310%橫梁端部X向頻響位移(mm)1.03e-31e-32.5%橫梁背部X向頻響位移(mm)6.3e-35.6e-311%

由表3對比可知，優(yōu)化后的橫梁質(zhì)量為3448kg，相對原橫梁增加了1.2%，但橫梁的靜變形下降了3.2%，一階固有頻率提高了3.9%，X坐標(biāo)方向橫梁的響應(yīng)位移降幅較大，特別是背部X向響應(yīng)位移降低了11%。

6結(jié)束語

本文在ANSYS SpaceClaim環(huán)境下建立橫梁實體模型，運用workbench進(jìn)行橫梁靜動態(tài)分析計算，并在其基礎(chǔ)上利用響應(yīng)面法對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，改進(jìn)橫梁的肋板結(jié)構(gòu)尺寸，提高性能,為橫梁優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

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(編輯趙蓉)

Finite Element Analysis and Optimization of Machining Center Cross Beam Based on ANSYS Workbench

MAO Qi-yuan,SHEN Jian-ming

(Department of Mechanical Engineering,Changzhou Vocational Institute of Light Industry ,Changzhou Jiangsu 213164 ,China)

Abstract：Cross beam is one of the key parts of planer-type machining center, its static and dynamic characteristics are directly related to the performance of the whole machine. In this paper, the solid model of cross beam is built in spaceclaim ANSYS environment, and the dynamic analysis of is carried out by workbench, and the optimal design is carried out based on the Response SurfaceOptimization method. Improved the structure of the beam size, improve performance. It provides the theoretical basis for the optimization of the beam.

Key words：cross beam;static and dynamic characteristics;response surface optimization

文章編號：1001-2265(2016)06-0078-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.06.020

收稿日期：2015-07-16；修回日期：2015-08-16

*基金項目：常州市工業(yè)科技支撐項目 (CE20130011)

作者簡介：茅啟園(1981—)，男，江蘇武進(jìn)人，常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向為CAD/CAM/CAE，(E-mail)yufang729@163.com。

中圖分類號：TH122;TG65

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A