磨床床身有限元分析及改进方案.docx

1、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 1 1.1 研究背景及意义 1 1.2 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 2 2.1 实体建模 2 2.2 单元属性定义 3 2.3 材料特性的定义 4 2.4 划分网格 4 2.5 原床身静刚度分析 4 2.6 原床身模态分析 7 2.7 原床身谐响应分析 8 2.8 本章小结 10 第三章 优化后床身有限元分析 11 3.1 对原床身模型结构的改进 11 3.2 单元属性定义 12 3.3 材料特性的定义 12 3.4

2、 划分网格 12 3.5 改进后床身静刚度分析 12 3.6 改进后床身模态分析 14 3.7 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 18 4.1 静刚度比较 18 4.2 固有频率比较 18 4.3 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

3、，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.M M8 M10 M12 M16 M18 M20 M22 15.7-34.3 32.3-71.6 54.9-9

4、3.1 137.2-225.4 186.2-323.4 264.6-441 372.4-548.8 2、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

5、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 3 ANSYS 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

6、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

7、 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 1 ANASYS 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）1 1.0

8、1E-05 9.91E+07 5.39E-06 1.86E+08 1.07E-05 9.36E+07 2 1.04E-05 9.66E+07 5.49E-06 1.82E+08 1.09E-05 9.22E+07 3 1.02E-05 9.78E+07 6.44E-06 1.55E+08 1.03E-05 9.70E+07 4 1.13E-05 8.86E+07 5.79E-06 1.73E+08 1.16E-05 8.59E+07 5 4.95E-05 2.02E+07 6.98E-06 1.43E+08 1.19E-05 8.43E+07 6 3.35E-05 2.99E+07 6.13E

9、-06 1.63E+08 1.17E-05 8.52E+07 7 4.65E-05 2.15E+07 5.94E-06 1.68E+08 1.04E-05 9.58E+07 8 3.23E-05 3.10E+07 4.98E-06 2.01E+08 1.09E-05 9.17E+07 9 2.66E-05 3.76E+07 6.90E-06 1.45E+08 1.07E-05 9.35E+07 10 3.62E-05 2.76E+07 6.58E-06 1.52E+08 1.11E-05 9.00E+07 11 2.70E-05 3.71E+07 5.50E-06 1.82E+08 1.10E

10、-05 9.06E+07 12 3.69E-05 2.71E+07 5.48E-06 1.83E+08 1.17E-05 8.52E+07 2.6 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 1 75.547 前床身在 XOZ平面内弯曲，并绕 Z轴扭转 2 87.585 前床身 YOZ平面内摆动 3

11、 118.53 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 4 148.02 前床身 XOZ平面内弯曲 5 179.11 前床身 XOZ平面内弯曲 6 181.17 前床身绕 Z轴扭转，床身整体绕 X轴摆动 7 210.2 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 8 233.5 前床身在 XOZ平面内弯曲 9 241.53 前床身 YOZ平面内弯曲 10 253.31 前床身 YOZ平面内弯曲 图 9 10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

12、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

13、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）75.547 87.585 幅值（m）0.199385E-02 0.366299E-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）87.585 181.17 210.2 241.53 253.31 幅值（m）0.141529E-04 0.375971E-03 0.456042E-04 0.160168E-04 0.427804E-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

14、峰值频率振幅值 频率（Hz）75.547 87.585 118.53 181.17 210.2 241.53 幅值（m）0.214432E-04 0.102587E-04 0.983526E-04 0.176178E-04 0.118658E-04 0.106621E-05 2.8 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

15、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

16、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 6 ANSYS

17、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）1 1.04E-05 9.58E+07 5.03E-06 1.99E+08 9.07E-06 1.10E+08 2 1.18E-05 8.48E+07 4.83E-06 2.07E+08 1.08E-05 9.26E+07 3 1.11E-05 9.05E+07 6.45E-06 1.55E+08 9.54E-06 1.05E+08 4 1.08E-05 9.22E+07 6.24E-06 1.60E+08 9.39E-06 1.0

18、6E+08 5 4.12E-05 2.43E+07 5.99E-06 1.67E+08 1.17E-05 8.58E+07 6 2.99E-05 3.34E+07 5.93E-06 1.69E+08 1.09E-05 9.16E+07 7 3.93E-05 2.54E+07 6.13E-06 1.63E+08 1.05E-05 9.53E+07 8 2.88E-05 3.47E+07 5.37E-06 1.86E+08 1.05E-05 9.50E+07 9 2.51E-05 3.98E+07 5.64E-06 1.77E+08 1.05E-05 9.56E+07 10 3.24E-05 3.

19、09E+07 5.71E-06 1.75E+08 1.12E-05 8.95E+07 11 2.48E-05 4.03E+07 5.55E-06 1.80E+08 1.06E-05 9.40E+07 12 3.10E-05 3.23E+07 5.85E-06 1.71E+08 9.86E-06 1.01E+08 3.6 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）1 84.841 6 186.93

20、2 92.359 7 213.48 3 122.03 8 241.4 4 150.72 9 255.48 5 181.26 10 281.16 图 19 10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

21、），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）84.841 92.359 241.4 255.48 281.16 幅值（m）0.298405E-03 0.777446E-03 0.473140E-04 0.269851E-04 0.404415E-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）181.26 213.48 241.4 幅值（m）0.244092E-03 0.828595E-04 0.256717E-04 图 22改进后床身 Z向

22、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）122.03 181.26 213.48 255.48 281.16 幅值（m）0.681619E-04 0.116125E-04 0.158689E-04 0.243221E-04 0.245730E-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）1 9.91E+07 9.58E+07

23、 1.86E+08 1.99E+08 9.36E+07 2 9.66E+07 8.48E+07 1.82E+08 2.07E+08 9.22E+07 3 9.78E+07 9.05E+07 1.55E+08 1.55E+08 9.70E+07 4 8.86E+07 9.22E+07 1.73E+08 1.60E+08 8.59E+07 5 2.02E+07 2.43E+07 1.43E+08 1.67E+08 8.43E+07 6 2.99E+07 3.34E+07 1.63E+08 1.69E+08 8.52E+07 7 2.15E+07 2.54E+07 1.68E+08 1.63E+08

24、 9.58E+07 8 3.10E+07 3.47E+07 2.01E+08 1.86E+08 9.17E+07 9 3.76E+07 3.98E+07 1.45E+08 1.77E+08 9.35E+07 10 2.76E+07 3.09E+07 1.52E+08 1.75E+08 9.00E+07 11 3.71E+07 4.03E+07 1.82E+08 1.80E+08 9.06E+07 12 2.71E+07 3.23E+07 1.83E+08 1.71E+08 8.52E+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

25、比较 表 12 改进前后床身前 10阶固有频率比较表 阶数 1 2 3 4 5 改进前床身前十阶固有频率（Hz）75.547 87.585 118.53 148.02 179.11 改进后床身前十阶固有频率（Hz）84.841 92.359 122.03 150.72 181.26 阶数 6 7 8 9 10 改进前床身前十阶固有频率（Hz）181.17 210.2 233.5 241.53 253.31 改进后床身前十阶固有频率（Hz）186.93 213.48 241.4 255.48 281.16 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

26、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 ANSY

27、S 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C 2 伊东谊.现代机床基础技术M.北京：机械工业出版社，1987 3 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,2005 4 高长银，吴晓玲，袁丽娟.Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 中文版.电子工业出版社2008 5 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。