重型龙门镗铣床横梁有限元研究和结构优化

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1、重型龙门镗铣床横梁有限元研究和结构优化摘要：利用有限元软件ANSYS对重型龙门镗铳床横梁部件进行有限元建模及静特性分析，并根据分析结果对横梁进行结构优化设计，通过ANSYS有限元分析软件对横梁结构分析，明确了这类部件在受到部件重力载荷和切削力作用下的结构位移，通过对横梁自身刚度和横梁变形折算至刀尖位移的分析，为横梁结构的设计提供了科学计算的依据，并根据横梁结构要求达到的精确度指标为设计思想，对重型龙门镗铣床的横梁结构提出了优化方案，其结果可以为结构的进一步改进提供重要依据。关键词：龙门镗铳床；横梁；有限元法；ANSYS；结构优化中图分类号：TG502文献标志码：A文章编号1007

2、-2683(2013)02-0072-050、引言重型龙门镗镜床是航天航空、船舶、汽车、铁路、工程机械和机床等行业必不可少的加工装备，高速、高精确度加工是机床加工的研究热点，这给重型龙门镗铣床的设计提出了更高要求，横梁作为机床的重要承载部件，其静态特性对加工精度和精度稳定性影响较大。为了增加横梁刚度、减轻横梁自重以及减小刀尖处的位移，作者通过建立横梁结构的有限元模型，并根据横梁的实际受载情况对其进行静特性分析，根据分析结果对横梁及横梁筋板的布局进行优化设计，有效提高横梁承载刚度、自重和刀尖处的位移，增强机床的工作性能。陈永庆等利用ANSYS软件对24⑻t门式起重机进行结构有限元分

3、析，得到了关键构件在多种工况下的应力及变形，对关键构件的强度和刚度是否满足工程要求作出了起重机主体结构和其余关键构件除局部有应力集中以外均可满足强度和刚度要求的结论，并根据计算结果提出了在横梁腹板和主吊耳板的人孔边缘加封环以减小孔边应力集中，取消横梁腹板左右最外侧孔以避免应力集中，为解决主吊耳板应力集中现象，加大主吊耳板下部吊耳宽度和厚度的改进方法和建议，其中单元选择建立有限元模型时用了壳单元、梁单元、杆单元，采用壳单元离散横梁各腹板，翼缘板，隔板，加强肋以及柱上节平台等结构，采用梁单元离散柱主肢等结构，采用杆单元离散柱缀条以及缆风绳等结构，为与真实钢丝绳的约束效果相同，张德文等

4、提出，采用有限元法对桥式类型起重机的主梁预拱度进行准确计算，取代常用的经验计算法，给出了各种桥式类型起重机主梁挠度的计算方法，并推导了主梁制造前腹板下料拱度曲线的计算公式，其中建议注意对起重机的预拱计算，在设计起重机时保证主梁的挠度，以保证小车的正常运行，并对起重机的使用和报废判别基准提出修改完善建议，程丽珠用有限元分析软件ANSYS进行结构分析，然后采用其中的优化程序对主梁进行优化设计，提出了对桥式起重机主梁结构分析与优化设计的研究方法等，文［4］进行了由梁单元组成的结构件的能量流动的分析和优化，文［5］对由起重机横梁支撑的地下发电场拱型棚进行了分析，分析认为拱型的支撑墙的变形

5、以及应力情况影响到整体结构的分析结果，分析时要加入支撑墙的影响。大跨度横梁结构复杂，它的一系列参数很难通过实验获得，因此本文结合重型龙门镗镜床横梁，针对其结构特性进行了有限元分析，并对其进行了结构优化，对大跨度机床横梁的设计分析有一定的参考价值。1、重型龙门移动镗镜床组成结构重型数控龙门移动镗铣床的主机结构一般包括床身、滑枕、立柱、工作台等机械部分，具有镗、铳、钻、攻丝、车削等功能的一机多能镗镜床，该机床为工作台固定，龙门框架移动式数控镗铳床，其总体布局形式是龙门框架在滑座上移动由双交流伺服电机驱动，龙门框架（X轴）整体移动，并在龙门框架的横梁上配置一大功率多功能滑枕式镗铣头，滑

6、枕镗镋头溜板（y轴）及滑枕（z轴）移动为交流伺服电机驱动，横梁（W轴）移动由双交流伺服电机驱动，x，y，W轴导轨采用静压导轨，z轴采用滚一滑复合导轨，各轴全闭环控制，由德国HEI-DENHAIN光栅尺位置检测，4个进给轴，可实现任意三轴联动。2、机床横梁的有限元静力学分析2.1机床横梁模型建立ANSYS的前处理模块提供了比较强的建模功能，包括点、线、面、体等几何体素的常用作图，完整的布尔运算等功能键，在建模过程中，需要对模型进行必要的简化，使模型易于建立和划分，对本机床横梁的分析采用梁单元模拟，建立横梁有限元模型，其结构如图2所示。2.2机床横梁结构有限元计算机床横梁结构的有限元

7、计算需要三个方面，一是自身刚度计算，二是承受最大切削力时的计算状态，计算状态下横梁变形折算至刀尖处的位移，三是不计切削力即在各部件重力作用下，横梁变形折算至刀尖处的位移。在上述的计算方案中，自身刚度计算主要用于比较不同结构的各个方向刚度性能。计算切削力状态主要用来模拟和考核机床在粗加工最大切削力时的机床加工精确度性能，不计切削力计算主要用于模拟精加工和机床精确度检查时的情况，本文中利用前处理器直接建立了横梁的计算模型，利用AN-SYS中的APDL语言实现了横梁的参数化建模、网格的