磨床床身有限元分析及改进方案.docx

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磨床床身有限元分析及改进方案磨床床身有限元分析及改进方案磨床床身有限元分析及改进方案2010-12-12目录第一章前言11.1研究背景及意义11.2床身1A-701的物理特性及其他参数1第二章原机床床身有限元分析22.1实体建模22.2单元属性定义32.3材料特性的定义42.4划分网格42.5原床身静刚度分析42.6原床身模态分析72.7原床身谐响应分析82.8本章小结10第三章优化后床身有限元分析113.1对原床身模型结构的改进113.2单元属性定义123.3材料特性的定义123.4划分网格123.5改进后床身静刚度分析123.6改进后床身模态分析143.7改进后床身谐响应分析15第四章床身模型改进前后的比较184.1静刚度比较184.2固有频率比较184.3振幅比较19第五章结论20参考文献21致谢22第一章前言1.1研究背景及意义本文利用有限元分析软件ANSYS，对磨床床身进行静力分析与动力分析，得到了机床床身在X、Y、Z三个方向的静刚度、机床床身的固有频率及其振型，并在此基础上，利用谐响应分析计算出机床床身的振动量。

由以上分析结果为理论依据，对该机床床身的薄弱环节进行识别及对其结构进行优化改进，计算出床身改进后的静刚度、床身固有频率、振型及振动量，与改进前加以比较。

得出优化结论。

1.2床身1A-701的物理特性及其他参数人造花岗岩（90%济南青+树脂10%）比重：

2.32.8g/cm3压缩弹性摸量：

36103MPa泊松比：

0.20.3热膨胀系数：

1.410-6热传导系数：

0.25J/M.S.C其它：

1、各固定结合面磨至Ra值0.8或刮研12点/25mmx25mm以上。

接触指标全宽上45%，全长上70%。

螺钉大小按图，旋紧扭矩见下表：

单位：

N.MM8M10M12M16M18M20M2215.7-34.332.3-71.654.9-93.1137.2-225.4186.2-323.4264.6-441372.4-548.82、工作台导轨为平、V组合、粘国产聚四氟乙烯导轨，压力油润滑（临界状态）。

油品为30#液压导轨油。

3、砂轮架进给导轨为直线滚柱导轨。

第二章原机床床身有限元分析2.1实体建模由于ANSYS软件前处理模块中的实体建模功能不够强大，无法精确和高效地完成像床身和主轴箱这类复杂模型的建模，因此在ANSYS中建模会大大降低分析的精度，费时长且效率低。

所以这里建模采用了当前流行的方法：

在Pro-E软件中建模后，导入ANSYS中。

首先应用CAD软件Pro/E生成实体模型，在建模过程中为了提高网格划分的精确度，对模型做了如下简化:

1）圆角、倒角简化为直角；2）忽略螺纹孔、键槽、退刀槽等；3）忽略直径小于30mm的孔，高度小于10mm的小凸台。

4）为了在螺栓、导轨滑块等结合部处添加结合部参数，在结合面间留出5mm的距离，建立小凸台，以便在ANSYS中添加模拟结合部参数的刚度和阻尼单元。

在Pro/E中建立的磨床如图1所示。

图1原磨床床身图2原磨床床身底部结构然后通过另存为igs格式将模型导入到ANSYS。

导入ANSYS后模型如图3所示。

图3ANSYS中的床身模型2.2单元属性定义在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的几何结构、分析类型和所分析的问题精度要求等，选定合适具体分析的单元类型。

在这次分析中选用四面体单元Solid95单元进行自由网格划分。

该单元是10节点的等参数实体单元，每个节点具有3自由度：

x，y，z的轴向移动，其在保证精度的同时允许使用于不规则实体的网格划分。

2.3材料特性的定义本文机床的材料为人造花岗岩（90%济南青+树脂10%），其弹性模量为3600Mpa，泊松比为0.3,密度。

2.4划分网格通过ansys软件网格划分形成19742个节点，9358个单元。

划分网格后的模型如图4所示。

图4划分网格后的床身模型2.5原床身静刚度分析静态性能计算是测量床身上12个点X、Y、Z三个方向的的相对静刚度。

将床身底座的8个浮块全约束分别在床身12个不同位置施加大小为1000N的力，其中床身上12个不同位置如图5所示；施加X，Y，Z方向载荷后的床身位移变形图如图6、7、8所示。

分析结果列表如下（表1）：

图5原床身施加载荷点方位图图6施加X方向载荷后的原床身变形图图7施加Y方向载荷后的原床身变形图图8施加Z方向载荷后的原床身变形图表1ANASYS中得到的各方向偏移量和静刚度点x偏移量（m）x方向静刚度（N/m）y偏移量（m）y方向静刚度（N/m）z偏移量（m）z方向静刚度（N/m）11.01E-059.91E+075.39E-061.86E+081.07E-059.36E+0721.04E-059.66E+075.49E-061.82E+081.09E-059.22E+0731.02E-059.78E+076.44E-061.55E+081.03E-059.70E+0741.13E-058.86E+075.79E-061.73E+081.16E-058.59E+0754.95E-052.02E+076.98E-061.43E+081.19E-058.43E+0763.35E-052.99E+076.13E-061.63E+081.17E-058.52E+0774.65E-052.15E+075.94E-061.68E+081.04E-059.58E+0783.23E-053.10E+074.98E-062.01E+081.09E-059.17E+0792.66E-053.76E+076.90E-061.45E+081.07E-059.35E+07103.62E-052.76E+076.58E-061.52E+081.11E-059.00E+07112.70E-053.71E+075.50E-061.82E+081.10E-059.06E+07123.69E-052.71E+075.48E-061.83E+081.17E-058.52E+072.6原床身模态分析模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，通过它可以确定自然频率、振型等动态特性。

模态分析是所有动力学分析类型的最为基础内容。

本方法对床身底座螺栓连接的8个浮块做全约束。

计算后得到前10阶频率，如表2所示；19阶固有频率时的床身振型图，如图9所示。

表2床身10阶固有频率及振型分析阶数固有频率（Hz）振型175.547前床身在XOZ平面内弯曲，并绕Z轴扭转287.585前床身YOZ平面内摆动3118.53后床身相对前床身在XOZ平面内摆动，后床身相对前床身在XOZ平面内的夹角发生变化4148.02前床身XOZ平面内弯曲5179.11前床身XOZ平面内弯曲6181.17前床身绕Z轴扭转，床身整体绕X轴摆动7210.2前床身在XOZ平面内弯曲，并绕Z轴扭转；后床身相对前床身在XOZ平面内摆动8233.5前床身在XOZ平面内弯曲9241.53前床身YOZ平面内弯曲10253.31前床身YOZ平面内弯曲图910阶固有频率下原床身振型图2.7原床身谐响应分析谐响应分析是确定一个结构在已知频率的正弦（简谐）载荷作用下结构响应技术。

其输入为已知大小和频率的谐波载荷，其输出为每一个自由度上的谐位移2。

通过谐响应分析可以得到结构位移对频率的幅频特性曲线，及结构随频率的变化情况。

谐响应分析有助于设计人员预测结构的持续动态特性，从而验证设计能否成功克服共振等问题。

在前文模态分析中已得到了原床身的各阶振型，再对床身进行谐响应分析就能更清楚的看出床身在动态干扰下的抗振性能。

在床身上加单位简谐激振力，其大小相等方向相反，根据模态分析得到的机床动态特性，设置简谐力频率范围为0300Hz，即机床床身前10阶模态的范围。

在单位简谐激振力作用下，床身在X、Y、Z方向的动态幅频特性曲线分别为图10、图11、图12所示，其中横坐标代表频率（Hz），纵坐标为幅值（m）。

图10原床身X向的幅频特性曲线表3床身X向幅频特性曲线峰值频率振幅值频率（Hz）75.54787.585幅值（m）0.199385E-020.366299E-02图11原床身Y向的幅频特性曲线表4床身Y向幅频特性曲线峰值频率振幅值频率（Hz）87.585181.17210.2241.53253.31幅值（m）0.141529E-040.375971E-030.456042E-040.160168E-040.427804E-04图12原床身Z向的幅频特性曲线表5床身Z向幅频特性曲线峰值频率振幅值频率（Hz）75.54787.585118.53181.17210.2241.53幅值（m）0.214432E-040.102587E-040.983526E-040.176178E-040.118658E-040.106621E-052.8本章小结本章对床身建立有限元模型。

对床身有限元模型实施XYZ三个方向的静力分析，得到各个方向的相对静刚度。

对床身进行10阶模态分析，获得床身的前10阶固有频率，得到振型与幅值，得到理论结果。

第三章优化后床身有限元分析3.1对原床身模型结构的改进由以上对原床身的分析结果知，需要对其静刚度进行加强，尤其是前床身X方向静刚度，对床身模型进行改进，改进后对其再进行重新分析。

改进方案为：

1、在后床身与前床身连接处加4块三角形肋板，其直角边长为250mm。

2、在前床身导轨处加14块三角形肋板，其Y方向长120mm，X方向长60mm。

（如图13）3、在床身内部X方向改为5块肋板，其厚度与原床身壁后相同，为120mm。

4、在床身内部Z方向改为两块肋板，厚度120mm。

（如图14）图13改进后床身图14改进后床身底部结构3.2单元属性定义仍然选用四面体单元Solid95单元进行自由网格划分，同样允许使用于不规则实体的网格划分。

3.3材料特性的定义改进部分材料仍为人造花岗岩（90%济南青+树脂10%），其弹性模量为3600Mpa，泊松比为0.3，密度。

3.4划分网格改进后，通过ansys软件网格划分形成24371个节点，11932个单元。

3.5改进后床身静刚度分析原床身上选取12个点位置不变（如图15），加载荷大小不变，仍为1000N。

；床身位移变形图如图16、17、18所示。

X、Y、Z三个方向的相对静刚度如表6。

图15改进后床身施加载荷点方位图图16改进后施加X方向载荷后的床身变形图图17改进后施加Y方向载荷后的床身变形图图18改进后施加Z方向载荷后的床身变形图表6ANSYS中分析得到的改进后床身各方向偏移量和静刚度点x偏移量（m）x方向静刚度（N/m）y偏移量（m）y方向静刚度（N/m）z偏移量（m）z方向静刚度（N/m）11.04E-059.58E+075.03E-061.99E+089.07E-061.10E+0821.18E-058.48E+074.83E-062.07E+081.08E-059.26E+0731.11E-059.05E+076.45E-061.55E+089.54E-061.05E+0841.08E-059.22E+076.24E-061.60E+089.39E-061.06E+0854.12E-052.43E+075.99E-061.67E+081.17E-058.58E+0762.99E-053.34E+075.93E-061.69E+081.09E-059.16E+0773.93E-052.54E+076.13E-061.63E+081.05E-059.53E+0782.88E-053.47E+075.37E-061.86E+081.05E-059.50E+0792.51E-053.98E+075.64E-061.77E+081.05E-059.56E+07103.24E-053.09E+075.71E-061.75E+081.12E-058.95E+07112.48E-054.03E+075.55E-061.80E+081.06E-059.40E+07123.10E-053.23E+075.85E-061.71E+089.86E-061.01E+083.6改进后床身模态分析改进后床身底座螺栓连接的8个浮块仍做全约束。

计算后得到前10阶频率，如表7所示；10阶固有频率时的改进后床身振型图，如图19所示。

表7改进后床身10阶固有频率阶数固有频率（Hz）阶数固有频率（Hz）184.8416186.93292.3597213.483122.038241.44150.729255.485181.2610281.16图1910阶固有频率下改进后床身振型图3.7改进后床身谐响应分析以上模态分析中已得到了改进后床身的各阶振型，再对床身进行谐响应分析就能更清楚的看出床身在动态干扰下的抗振性能。

在床身上加单位简谐激振力，其大小相等方向相反，根据模态分析得到的机床动态特性，设置简谐力频率范围为0300Hz，即机床床身前10阶模态的范围。

在单位简谐激振力作用下，床身在X、Y、Z方向的动态幅频特性曲线分别为图20、图21、图22所示，其中横坐标代表频率（Hz），纵坐标为幅值（m）。

图20改进后床身X向的幅频特性曲线表8改进后床身X向幅频特性曲线峰值频率振幅值频率（Hz）84.84192.359241.4255.48281.16幅值（m）0.298405E-030.777446E-030.473140E-040.269851E-040.404415E-04图21改进后床身Y向的幅频特性曲线表9改进后床身Y向幅频特性曲线峰值频率振幅值频率（Hz）181.26213.48241.4幅值（m）0.244092E-030.828595E-040.256717E-04图22改进后床身Z向的幅频特性曲线表10改进后床身Z向幅频特性曲线峰值频率振幅值频率（Hz）122.03181.26213.48255.48281.16幅值（m）0.681619E-040.116125E-040.158689E-040.243221E-040.245730E-05第四章第四章床身模型改进前后的比较床身模型改进前后的比较4.1静刚度比较表11改进前后床身各个方向静刚度比较表点号改进前X方向静刚度（N/m）改进后X方向静刚度（N/m）改进前Y方向静刚度（N/m）改进后Y方向静刚度（N/m）改进前Z方向静刚度（N/m）19.91E+079.58E+071.86E+081.99E+089.36E+0729.66E+078.48E+071.82E+082.07E+089.22E+0739.78E+079.05E+071.55E+081.55E+089.70E+0748.86E+079.22E+071.73E+081.60E+088.59E+0752.02E+072.43E+071.43E+081.67E+088.43E+0762.99E+073.34E+071.63E+081.69E+088.52E+0772.15E+072.54E+071.68E+081.63E+089.58E+0783.10E+073.47E+072.01E+081.86E+089.17E+0793.76E+073.98E+071.45E+081.77E+089.35E+07102.76E+073.09E+071.52E+081.75E+089.00E+07113.71E+074.03E+071.82E+081.80E+089.06E+07122.71E+073.23E+071.83E+081.71E+088.52E+07由上表可以看出：

床身模型改进后，X、Y、Z三个方向静刚度整体增大，对整个机床的运作有益。

4.2固有频率比较表12改进前后床身前10阶固有频率比较表阶数12345改进前床身前十阶固有频率（Hz）75.54787.585118.53148.02179.11改进后床身前十阶固有频率（Hz）84.84192.359122.03150.72181.26阶数678910改进前床身前十阶固有频率（Hz）181.17210.2233.5241.53253.31改进后床身前十阶固有频率（Hz）186.93213.48241.4255.48281.16由上表可以看出，床身模型改进后前10阶固有频率增大。

4.3振幅比较由床身模型改进前的幅频特性曲线（图10、11、12）与床身模型改进后的幅频特性曲线（图20、21、22）比较，得出床身的振动幅值减小的结论。

第五章结论本文通过ansys软件对已有的机床床身模型进行分析及对改进后的机床床身模型进行分析，通过比较所计算得数据，在理论得出改进方案的可行性，为实际的机床床身机构奠定理论基础。

主要包括以下几方面工作：

1、根据厂家所给床身结构的设计图纸，建立机床主要零部件的三维Pro/E实体模型，并根据计算需要对模型进行适当简化，建立了的Pro/E模型。

2、在分析比较集中模型转换方法的基础上，应用ANSYS软件的数据转换接口实现了将Pro/E实体模型无损转换ANSYS实体模型，为后续的有限元计算分析做准备。

3、对机床床身典型部位的特性进行研究，建立了底面螺栓结合部、导轨结合部的等效动力学模型，实现了在结合部模型中加入3个方向等效特性参数（刚度和阻尼系数），使机床床身动力学模型更接近实际情况。

4、对床身有限元模型进行静、动力学分析计算。

通过静力学计算，得到床身主轴端与工作台中心的XYZ三方向的相对静刚度；通过模态计算，得到机床整机的固有频率与振型。

5、通过以上得出的数据对机床床身结构进行了改进，对床身的稳定性及对以后提高加工精度奠定了基础。

参考文献1张广鹏，王海丽.机床结构固有频率及振型特性的数值解析方法C2伊东谊.现代机床基础技术M.北京：

机械工业出版社，19873赵毅.机床整机加工精度仿真理论及方法研究.中国石油大学硕士研究生学位论文,20054高长银，吴晓玲，袁丽娟.Pro/ENGINEERWildfire4.0中文版.电子工业出版社20085王庆五,左芳，胡仁喜.ANASYS10.0机械设计.机械工业出版社，2006致谢本课题是在导师xxx教授的悉心指导和亲切关怀下完成的，导师渊博深厚的学术功底、敏锐的思维、实事求是的科学态度和孜孜以求、忘我的精神和丰富的时间经验都给了我潜移默化的教育和影响，让我终身受益，在完成论文之际，我谨向导师表示衷心的感谢。