利用ANSVS的數(shù)控車床尾座箱體分析及優(yōu)化論文

　　引言

　　數(shù)控車床尾座是機(jī)床的重要組成部分，起到夾緊定位工件的作用，它的靜動態(tài)特性對機(jī)床加工精度及穩(wěn)定性有直接影響。一般采取結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式來提高尾座的靜態(tài)及動態(tài)特性，以提升尾座工作性能和穩(wěn)定性。重型數(shù)控車床加工不同零件時(shí)，尾座需要來回運(yùn)動完成夾緊、定位工件的任務(wù)，這就要求尾座質(zhì)量適中，以便加大機(jī)構(gòu)的靈活性。本文以HTC100型數(shù)控車床尾座箱體為例，通過UG建立精確的實(shí)體模型，利用ANSYSWorkbench軟件對其進(jìn)行有限元特性分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，為尾座箱體的合理設(shè)計(jì)提供一種可行性的參考。

　　1 在ANSYSWorkbench中設(shè)置材料屬性、劃分網(wǎng)格

　　HTC100臥式數(shù)控車床尾座由灰鑄鐵HT300鑄造而成，在ANSYS軟件中進(jìn)行有限元分析之前必須設(shè)置材料屬性，HT300的彈性模量為143GPa，泊松比為0.27，密度為7340kg/m3。劃分網(wǎng)格是有限元分析中關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文選用ANSYS12.0Workbench中提供的四面體網(wǎng)格劃分法(Tetrahedrons中的PatchConforming法)對尾座箱體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。選該方法最主要的兩點(diǎn)理由：1)網(wǎng)格劃分快速，適用于形狀復(fù)雜的幾何體。2)在關(guān)鍵區(qū)域能適應(yīng)近似尺寸進(jìn)行細(xì)化。網(wǎng)格劃分后得到的有限元模型如圖2所示，模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為56793，單元總數(shù)為33014。

　　2 施加邊界條件

　　對尾座箱體進(jìn)行靜、動力學(xué)分析必須在ANSYSWorkbench中對箱體施加邊界條件，包括箱體受到的力及轉(zhuǎn)矩，以及確定箱體的支承表面。尾座箱體內(nèi)部受力主要來自零件自身重力，其中頂尖、套筒、軸、齒輪等主要零件重力通過在UG軟件自身“質(zhì)量特征”功能獲得。尾座箱體除受到內(nèi)部零件重力外，還有加工過程中通過頂尖傳遞的切削力及力矩�，F(xiàn)以加工長軸零件為例，根據(jù)廠家給出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，尾座對工件的夾緊力為5.28kN，車床所能提供的最大切削力為60kN，通過計(jì)算主切削力Fc=53.4kN，背向力Fp=18.6kN，進(jìn)給力Ff=20.4kN。受力分析后得到箱體受到頂尖傳來的力及力矩分別為：Fx=560N、Fy=1572350N、Fz=15120N、M=8811N·m，方向?yàn)槔@Z軸逆時(shí)針方向。將這些力及力矩施加到箱體各個(gè)表面。尾座箱體整體固定在機(jī)床床身上，因此箱體底部接觸表面受到固定約束。

　　4 有限元分析

　　4.1 靜力學(xué)分析

　　尾座箱體的靜力學(xué)分析是計(jì)算在固定不變的載荷作用下，箱體的位移與應(yīng)力，它不考慮阻尼與慣性的影響。其分析結(jié)果對箱體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化有重要參考價(jià)值。對尾座箱體進(jìn)行靜力學(xué)分析，箱體的最大位移為1.23×10-4m，最大應(yīng)力為4.44×107Pa。由計(jì)算結(jié)果可以看出箱體的最大位移數(shù)值較小，能滿足加工精度需求。HT300的極限應(yīng)力為300MPa，尾座箱體的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的極限應(yīng)力值，箱體剛度滿足要求，因此有進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化的可能。

　　4.2 模態(tài)分析

　　機(jī)床在加工過程中，受到噪聲與振動相互作用，產(chǎn)生周期性變化的激振力。這種激振力的頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率相同或成整數(shù)倍時(shí)，容易引起共振，降低機(jī)床加工精度及穩(wěn)定性。由于重型數(shù)控車床存在振動、噪聲大等問題，因此很有必要對尾座箱體進(jìn)行模態(tài)分析。在ANSYS中對箱體進(jìn)行模態(tài)分析后得出箱體的前6階模態(tài)如表1所示。HTC100型數(shù)控車床的主軸設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速為200r/min，頻率為3.33Hz。數(shù)據(jù)可以看出作用在尾座的激振力頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于尾座箱體自身前6階頻率。不會發(fā)生共振現(xiàn)象，對工件加工精度影響不大。

　　5 優(yōu)化

　　5.1 運(yùn)用Workbench進(jìn)行優(yōu)化

　　拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)質(zhì)上是指在結(jié)構(gòu)受到給定約束情況下，為了使目標(biāo)量(總體剛度、自振頻率等)穩(wěn)定而尋求結(jié)構(gòu)材料使用的最佳方案。利用ANSYSWorkbench中“ShapeOptimization”功能對尾座箱體進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。施加邊界條件后，優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為5%，進(jìn)行求解運(yùn)算。

　　5.2 根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　由于分析結(jié)果中可切除區(qū)域分布不規(guī)則，在實(shí)際加工中必須考慮應(yīng)力分布及工藝的復(fù)雜程度。因此不能把可切除區(qū)域全部切除。在SolidWorks中以規(guī)則幾何形狀大致切除可切除區(qū)域，質(zhì)量減少1250.4kg，對優(yōu)化方案進(jìn)行有限元分析，其位移、應(yīng)力可以看出優(yōu)化后箱體的最大位移是1.2×10-4m，最大應(yīng)力是4.65×107Pa。材料的極限應(yīng)力仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于箱體的局部最大應(yīng)力，位移數(shù)值也相對較小，對加工精度影響不大。

　　6 結(jié)論

　　1)利用有限元軟件對產(chǎn)品進(jìn)行分析可以節(jié)省廠家制造樣機(jī)、實(shí)驗(yàn)測試的成本。在軟件環(huán)境里運(yùn)算得到產(chǎn)品的主要性能，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供優(yōu)化的結(jié)構(gòu)及尺寸，這種新型的優(yōu)化設(shè)計(jì)將會在未來機(jī)械設(shè)計(jì)加工過程中逐漸成為主流。

　　2)利用Workbench對尾座箱體進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的尾座箱體最大位移、最大應(yīng)力、低階頻率基本保持不變，在滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，質(zhì)量減少了5%，使得尾座運(yùn)動更加靈活，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加優(yōu)秀提供了一個(gè)可行的方案。

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