蔣國生

(永州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 永州 425000)

1 引言

在立式車床和各組成部分中，立柱起著關(guān)鍵部件的作用，并與整機(jī)性能有著密切的關(guān)系。對機(jī)床主要零部件進(jìn)行有限元分析，并優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計。東南大學(xué)和無錫機(jī)床股份有限公司對內(nèi)圓圓磨床M2120A立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得到立柱前幾階的固有頻率和振型，分析立柱的內(nèi)部筋板布置對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的影響［1］。張海偉利用動態(tài)實驗分析和理論模型分析兩種方法對臥式加工中心的動態(tài)性能進(jìn)行了分析，通過實驗測試數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果對比分析，驗證了理論模型的合理性，找出了機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化后分析結(jié)果證明，機(jī)床結(jié)構(gòu)的最大變形值都相應(yīng)降低［2］。陳慶堂運用工程軟件ANSYS的優(yōu)化設(shè)計模塊，根據(jù)立柱的實際工況及機(jī)床零件加工精度要求，在參數(shù)化建模及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析基礎(chǔ)上，對XK713數(shù)控銑床軸箱結(jié)構(gòu)以減輕重量為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。通過優(yōu)化設(shè)計及分析，立柱結(jié)構(gòu)重量減輕了23.2%，三個方向上的剛度和應(yīng)力得到了合理的分布［3］。不僅大大提高了立柱的動態(tài)性能，而且節(jié)省了材料，降低了生產(chǎn)成本［3］。筆者采用科學(xué)計算和實際經(jīng)驗相結(jié)合的方法，類比同類車床立柱的結(jié)構(gòu)，并依據(jù)有限元分析的數(shù)據(jù)，對該立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2 立柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法

2.1 參數(shù)化有限元模型

建立準(zhǔn)確可靠的結(jié)構(gòu)有限元計算模型，是一項極為重要的工作，它直接關(guān)系到計算結(jié)果的正確與否。但實際工程問題往往非常復(fù)雜，結(jié)構(gòu)形狀、支承邊界、載荷等存在各種可能，因此要求在建立計算模型的過程中進(jìn)行必要的簡化，然而這種簡化的結(jié)果，使得計算模型只能近似地反映工程實際問題，或者說計算模型在不同程度上都具有一定的近似性。結(jié)構(gòu)有限元法分析結(jié)果的準(zhǔn)確性很大程度上受到所建模型準(zhǔn)確性的影響。通過觀察FWL-8零件圖發(fā)現(xiàn)，立柱屬于焊接件，有許多圓角、工藝孔、螺孔。如果根據(jù)實際情況將這些實體特征在SolidWorks2009中進(jìn)行造型，勢必增加有限元計算量。最終建立的立柱結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 修改后的立柱模型

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

以立柱結(jié)構(gòu)為研究對象，保證減重后立柱的強(qiáng)度和剛度不變，固有頻率不降低。經(jīng)分析，提出以下幾種減重方案。

(1)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果。本課題減重方案的主體思想是根據(jù)現(xiàn)有應(yīng)力集中情況，在某些應(yīng)力集中處適當(dāng)加強(qiáng);對于位移梯度變化較大的位置適當(dāng)加強(qiáng)，反之適當(dāng)減弱。

(2)類比同類產(chǎn)品的立柱結(jié)構(gòu)。同類車床產(chǎn)品有FW-6等型號，以及參考國外先進(jìn)設(shè)備的立柱的結(jié)構(gòu)形式，包括隔板的位置、數(shù)目、角度，筋板的截面形狀、截面積、傾斜角度等。

(3)合理地減薄壁板厚度以及去掉部分材料。本課題研究的立柱由于原始設(shè)計過于保守，可適當(dāng)?shù)販p薄壁板厚度，或者去掉部分筋板。

2.3 減小壁板和筋板的厚度

(1)減小壁板厚度 原始的立柱設(shè)計較為保守，應(yīng)力分析時，安全系數(shù)超過30。通過SolidWorks2009平臺對立柱的三維模型進(jìn)行修改，以達(dá)到在保證剛度和強(qiáng)度的情況下盡可能多的降低立柱的質(zhì)量。圖2所示即為原始立柱壁板草圖的相關(guān)尺寸。在此對立柱的壁板厚度進(jìn)行局部修改，并重新建模，修改完畢的尺寸如圖3所示。從修改后的壁板草圖可以看出，壁板厚度從原來的30 mm減小到25 mm，減薄了5 mm。尺寸的修改主要是內(nèi)部尺寸修改，外部尺寸保持不變，有利于建模和外部形狀不變。

圖2 原始的壁板草圖

圖3 修改后的壁板草圖

(2)減小筋板厚度 由于筋板使用了較為優(yōu)化的“米”字形結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度和剛度都較高，并且從ANSYS10.0中分析中，也得出了設(shè)計過分保守的結(jié)果，所以可減小筋板厚度，從而減小質(zhì)量，如圖4所示。壁板和筋板厚度的減小后，立柱整體質(zhì)量也較小，如表1所列。

圖4 減小圓筒的厚度

表1 立柱重量對比 /kg

2.4 增大導(dǎo)軌的接觸面

由于車床高速加工時，立柱所受的力較大，約為50 000 N。增大導(dǎo)軌的接觸面，一方面能降低對鑲鋼導(dǎo)軌作用與立柱的壓強(qiáng);另一方面能使立柱受迫振動的頻率降低，發(fā)生共振的可能性降低，減少噪音，如圖5所示。

圖5 增大導(dǎo)軌接觸面部位示意圖

原始設(shè)計圖中，A1面積為100×1 790=179 000 mm2;A2面積為160×1 790=286 400 mm2;A3面積為100×1 790=179 000 mm2;其中，A1受力F1=25 000 N;A2受力F1=12 500 N;A3受力F1=12 500 N。

改進(jìn)后立柱結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，A1面積為120×1 790=214 800 mm2;A2面積為160×1 790=286 400 mm2;A3面積為120×1 790=214 800 mm2;其中，A1受力F1=25 000 N;A2受力F1=12 500 N;A3受力F1=12 500 N。

2.5 增大壁板和筋板上的通孔

在壁板和筋板能正常使用的情況下，可增加通孔大小，從而減輕重量，將通孔大小從220 mm×150 mm增大到220 mm×160 mm，總量又從8 462 kg減到了7 761 kg，優(yōu)化的質(zhì)量有1 327 kg，達(dá)到了14.6%。

3 有限元分析

為了分析改進(jìn)后立柱結(jié)構(gòu)性能的變化，下面對新的立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。將新的立柱結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入ANSYS10.0進(jìn)行靜力分析，各種云圖如圖6～9所示。應(yīng)力和最大位移對比統(tǒng)計，如表2所列。

6 節(jié)點等效應(yīng)力Von Mises分布云圖

圖7 X、Y方向形變云圖

圖8 Z方向形變云圖

圖9 結(jié)構(gòu)總變形Translation USUM云圖

表2 應(yīng)力和位移對比統(tǒng)計

修改后，立柱結(jié)構(gòu)大部分區(qū)域安全系數(shù)N=σs÷σmax=235÷11.6=20，安全系數(shù)雖然還較大，但是由于結(jié)構(gòu)總變形量開始變大，所以不能單單為了強(qiáng)度而忽略了剛度。此設(shè)計能滿足工作的實質(zhì)要求。

4 結(jié)語

介紹了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本思想和方法，在保證原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上減小了壁板和筋板的厚度，通過運用增大導(dǎo)軌的接觸面積以及增大壁板和筋板上通孔的方法，達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)、減輕重量的要求。通過再次建立三維實體模型，利用Ansys10.0軟件進(jìn)行有限元分析，分析其形變和應(yīng)變的特點，并與原模型進(jìn)行比較，最終確定優(yōu)化方案。

［1］ 陳慶堂.基于ANSYS的數(shù)控銑床主軸箱優(yōu)化設(shè)計［J］.莆田學(xué)院學(xué)報，2008(5):5-25.

［2］ 湯文成，易 紅.板厚對機(jī)床床身動態(tài)特性的影響［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2007(3):8-12.

［3］ 王艷輝，伍建國，繆建成.精密機(jī)床床身的模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)選［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2005(3):8-16.