□ 王雁寧 □ 高 悅

1.通用技術(shù)集團(tuán)機(jī)床工程研究院有限公司沈陽分公司 沈陽 110041 2.沈陽遠(yuǎn)大壓縮機(jī)有限公司 沈陽 110178

1 結(jié)構(gòu)剛度分析

近年來,隨著有限元理論的成熟和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,有限元技術(shù)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)越來越廣泛應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)階段。應(yīng)用有限元技術(shù)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真計(jì)算,評(píng)估結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、靜剛度,甚至動(dòng)剛度,可以提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性和可靠性,縮短樣機(jī)研發(fā)周期,降低研發(fā)成本。筆者將某型號(hào)立式加工中心的橫梁作為分析對(duì)象,橫梁傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)軌安裝面在施加外部載荷時(shí)的變形情況。

圖1 橫梁傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)

橫梁結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),內(nèi)部采用十字形均勻分布筋板布局,內(nèi)部筋板按鑄造工藝要求開出砂孔,采用HT300材質(zhì),外輪廓壁厚為20 mm,內(nèi)部十字形筋板厚度為15 mm,整體質(zhì)量為850 kg。由于動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性要求更高,目前的質(zhì)量無法滿足傳動(dòng)機(jī)構(gòu)計(jì)算要求。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)計(jì)算要求橫梁質(zhì)量在750 kg以內(nèi)。因此,橫梁需要實(shí)現(xiàn)輕量化,質(zhì)量減小100 kg。在對(duì)橫梁進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)之前,先應(yīng)用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析,將分析結(jié)果與輕量化后結(jié)構(gòu)在同樣邊界條件下進(jìn)行對(duì)比,以驗(yàn)證輕量化設(shè)計(jì)是否有效。

設(shè)定材料力學(xué)性能,完成模型網(wǎng)格劃分后,施加約束。設(shè)定滑塊安裝面為固定面,施加豎直向下的自身重力為7 500 N,對(duì)導(dǎo)軌安裝面施加外部載荷6 000 N,外部載荷產(chǎn)生的力矩Fa為2 000 N·m。根據(jù)分析情況,得出導(dǎo)軌面相對(duì)于固定面的變形量為0.007 mm。約束條件施加情況如圖2所示,橫梁傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)變形如圖3所示。

圖2 約束條件施加情況

圖3 橫梁傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)變形

2 輕量化設(shè)計(jì)

對(duì)橫梁傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),根據(jù)原有外形尺寸及主要安裝面、加工面繪制實(shí)心模型,如圖4所示。應(yīng)用ANSYS Workbench軟件自帶的拓?fù)鋬?yōu)化功能,優(yōu)化時(shí)材料力學(xué)性能參數(shù)及約束條件保持相同,以控制質(zhì)量為響應(yīng)目標(biāo)。要求輕量化后橫梁質(zhì)量減小100 kg。橫梁實(shí)心模型質(zhì)量為3 750 kg,則拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)定保留實(shí)心模型質(zhì)量的20%,方可滿足輕量化設(shè)計(jì)要求。橫梁拓?fù)鋬?yōu)化模型如圖5所示。

圖4 橫梁實(shí)心模型

圖5 橫梁拓?fù)鋬?yōu)化模型

根據(jù)橫梁拓?fù)鋬?yōu)化模型的質(zhì)量分布情況可以看出,在受力的導(dǎo)軌面至固定面之間,力的傳遞主要依靠斜接于導(dǎo)軌面與安裝面的四根筋板,其中兩根在橫梁背部呈三角形分布,另外兩根在導(dǎo)軌安裝面向滑塊固定面延伸。在進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí),主要圍繞上述四根筋板進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在與滑塊安裝面及導(dǎo)軌面連接處,應(yīng)著重增大筋板尺寸,并根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化模型中質(zhì)量分布的位置、角度填充橫梁輪廓與內(nèi)部連接筋板,對(duì)內(nèi)部未起到傳遞受力作用的部分減少筋板排布,減小筋板尺寸,增強(qiáng)質(zhì)量分布較多部分的筋板結(jié)構(gòu),保證輕量化設(shè)計(jì)后的外形輪廓與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一致。橫梁的起吊、工藝凸臺(tái)、驅(qū)動(dòng)組件安裝面、光柵尺安裝面等需與上述四根筋板連接,需適當(dāng)增大局部筋板尺寸,并結(jié)合實(shí)際制造及使用條件,設(shè)計(jì)出輕量化結(jié)構(gòu),如對(duì)部分輕量化開孔處增加反沿,防止出現(xiàn)鑄造缺陷,并將起吊點(diǎn)設(shè)計(jì)在內(nèi)部筋板根部等。橫梁輕量化結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 橫梁輕量化結(jié)構(gòu)

3 對(duì)比分析

對(duì)橫梁輕量化模型進(jìn)行靜力學(xué)分析,約束條件與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一致,以驗(yàn)證輕量化設(shè)計(jì)是否滿足要求。分析過程同上,將得到的分析結(jié)果與橫梁傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。橫梁輕量化結(jié)構(gòu)變形如圖7所示。

圖7 橫梁輕量化結(jié)構(gòu)變形

在給定條件下,橫梁輕量化結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌面最大變形量為0.003 910 2 mm,橫梁傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)軌面最大變形量為0.007 059 4 mm。橫梁輕量化結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量減小11.8%,相同條件下變形量減小42.9%,既減小了質(zhì)量,又提升了結(jié)構(gòu)剛度。由此可見,輕量化設(shè)計(jì)滿足要求。

4 結(jié)束語

筆者基于有限元法對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度分析與輕量化設(shè)計(jì),為類似機(jī)床結(jié)構(gòu)在減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量、合理分配筋板形式及布局等方面提供參考。對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要安裝面、加工面、工藝基準(zhǔn)等特征,結(jié)合實(shí)際鑄造加工能力設(shè)計(jì)內(nèi)部筋板,輕量化的前提是保證結(jié)構(gòu)整體剛度。

從靜力學(xué)角度對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),在結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)仍需要考慮結(jié)構(gòu)在瞬態(tài)載荷作用下的位移、應(yīng)力、應(yīng)變、反作用力等隨時(shí)間的變化關(guān)系,以及改變結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布后的固有頻率變化情況。因此,在結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)時(shí),仍需從模態(tài)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析等角度對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析,并進(jìn)行對(duì)比。

機(jī)床輕量化技術(shù)的應(yīng)用與推廣,有助于提升對(duì)綠色環(huán)保機(jī)床生產(chǎn)制造的了解與認(rèn)知,還能加速精密機(jī)床的設(shè)計(jì)開發(fā),有效提升產(chǎn)品生命周期中的使用性能效率,延長(zhǎng)使用壽命。