單英杰

摘 要：本文建立了XH715立式加工中心的有限元分析模型，運(yùn)用有限元分析法對(duì)該立式加工中心進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。分析結(jié)果表明，優(yōu)化的XH715立式加工中心工作性能優(yōu)于原模型，對(duì)生產(chǎn)實(shí)際有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：有限元分析 模態(tài)分析 諧響應(yīng)分析

中圖分類號(hào)：TG156 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）04（a）-0055-02

自21世紀(jì)以來(lái)，在數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面已經(jīng)由靜態(tài)分析、線性計(jì)算向動(dòng)態(tài)分析、非線性計(jì)算方向發(fā)展；由可行設(shè)計(jì)向最優(yōu)化設(shè)計(jì)方向發(fā)展；由人工運(yùn)算向智能計(jì)算方向發(fā)展[1]。數(shù)控加工機(jī)床已經(jīng)向高速度、高精度、多自由度、低成本等現(xiàn)代要求發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)品核心競(jìng)爭(zhēng)力在不斷提高。

1 建立模型

當(dāng)前科研院所和高校通常使用的有限元分析軟件為ANSYS，它具有強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分、后期加載和求解能力。但是ANSYS建模相對(duì)復(fù)雜，無(wú)論利用ANSYS提供的自下而上或自頂向下建模方法，對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的數(shù)控機(jī)床幾何模型來(lái)說(shuō)，都很繁瑣[2]。而Pro/Engineer是一個(gè)相對(duì)比較高效的三維立體幾何建模工具，它可利用自身優(yōu)勢(shì)，相對(duì)比較快的建立具有復(fù)雜幾何形狀的模型。同時(shí)，可以把Pro/Engineer建好的幾何模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元分析[3]。本文所選用的建模軟件為Pro/ENGINEER，有限元分析軟件為ANSYS。

2 模態(tài)分析

動(dòng)載荷結(jié)構(gòu)中最重要的兩個(gè)參數(shù)是固有頻率和振型。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可以查得該機(jī)床的主軸的最高工作轉(zhuǎn)速為9000 r/min，在高階模態(tài)方面，其固有頻率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有可能出現(xiàn)的激振力頻率，很大概率不發(fā)生共振；在低階模態(tài)方面，只有最低幾階模態(tài)的固有頻率才有可能與激振頻率重合或接近，綜上所述，本文只研究機(jī)床的低階模態(tài)。對(duì)以上模態(tài)分析，前5階的模態(tài)分析結(jié)果如表1所示。

由表1的數(shù)據(jù)可得，第1、4階模態(tài)的主振系統(tǒng)是床身和立柱，做的是整機(jī)的Y軸擺動(dòng)，因此固有頻率取決于立柱的Z向剛度。第2、3階模態(tài)的主振系統(tǒng)為床身與立柱，做的是床身與立柱繞Z軸的扭曲變形。第5階模態(tài)的主振系統(tǒng)是床身與立柱，做的是繞X軸的彎曲變形。

3 諧響應(yīng)分析

在對(duì)XH715立式加工中心進(jìn)行整機(jī)的諧響應(yīng)分析時(shí)，在安裝刀具的部位分別加載X軸、Y軸、Z軸方向分力，其幅值均為1 000 N的。根據(jù)上文得到的模態(tài)分析結(jié)果，設(shè)置簡(jiǎn)諧力的頻率為40～190 Hz，采用非完全共軛求解器。

圖2為在40～190 Hz內(nèi)，機(jī)床刀具部位在簡(jiǎn)諧力激勵(lì)下的振動(dòng)幅頻響應(yīng)曲線。由圖2可知，只有在第2階固有頻率（79 Hz）激振時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生共振幅值最大，其他固有頻率激振時(shí)對(duì)機(jī)床刀具部位的影響相對(duì)較小。非固有頻率激振時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)幾乎于零。

4 結(jié)論

本文利用Pro/ENGINEER和ANSYS對(duì)XH715立式加工中心進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，得到了前5階固有頻率和振型?？衫梅治鼋Y(jié)果對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，對(duì)生產(chǎn)實(shí)際具有理論和實(shí)際指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 倪曉宇，易紅，湯文成，等.機(jī)床床身結(jié)構(gòu)的有限元分析與優(yōu)化[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2005（2）：47-49.

[2] 諸乃雄.機(jī)床動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1987.

[3] 張朝暉.ANSYS工程應(yīng)用范例入門(mén)與提高[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：232-259.