基于AnsysWorkbench的立式加工中心床身有限元分析和优化设计

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1、、I遘訇似基于AnsysWorkbench的立式加工中心床身有限元分析和优化设计Finiteelementansysanalysisandstructureoptimizationforthebodyofverticalmachiningcenterbaseonworkbench汪宇，王东方WANGYu，WANGDong—fang(南京工业大学机械与动力工程学院，南京210009)摘要：简要介绍运用PROE和ANSYSWORKBENCH进行床身的有限元分析的方法，对床身的位移场和模态进行了分析，并且根据分析的结果对床身进行了轻量化设

2、计，在保持床身变形基本不变的情况下，显著的减轻了床身的重量，床身的低阶频率也有了一定的改善。关键词：W~RKBENCH；床身；有限元分析；优化设计中图分类号：T@502；TH112文献标识码：A文章编号：1009一O134(2009)09—0129—030引言度，应该使有限元模型尽量简化。同时建立有限元模型时，应合理选择单元类型，并在编排节点时，机床床身是机床的重要支承部件，起支撑各种尽量减少相关单元的节点号差、带宽，以减少资料零部件的作用。机床床身结构的动态性能将直接影存储量。ANSYSWorkbench和PROE具有直接的响到机

3、床的加工精度、精度稳定性和生产效率。为保双向接口，可以在PROE中建模然后再导入证机床高速、高效、高精度的设计要求，机床床身必ANSYSWorkbench进行计算。须具有足够的静态刚度和良好的动态特性。目前，国1．1建立物理模型内对机床支承件一般采用经验设计，有关机床床身的设计参数对其低阶固有频率影响的动态特性分析床身的实际结构很复杂，有繁多的筋板、曲面、却考虑不多，因此机床床身的模态分析至关重要。窗孔，各处厚度不相同，几何形状也多变。为了适ANSYSWorkbench是新一代CAE分析环境和应有限元计算，必须将其简化处理，略去许多

4、不影应用平台。它提供了统一的开发和管理CAE信息响床身刚度的细微结构(如小倒角、小圆弧、小凸的工作环境。ANSYSWorkbench包括了CAE建模台等)。简化后的床身模型如图1所示。工具DesignModeler，分析工具DesignSimulation，优化模块DesignXplorer等。Workbench还提供了这些环境之间相互操作和控制信息传递的流程，并且能够方便地切换到经典ANSYS环境。本文利用PROE进行物理模型的建立，然后导入ANSYSWorkbench进行了床身的有限元分析，利用DOE方法对机床床身进行基于频率和

5、刚度约束的优化，即从满足频率约束以及刚度约束的结构中系统地删除低效材料来获得结构的基频约束、刚度约束、重量最小化的优化。图1床身简化模型1有限元分析在机床建模过程中对筋和壁厚采用参数化建在不影响计算精度的前提下，为了提高计算速模，用来对后边的优化设计做铺垫。收稿日期：2008—12—19作者简介：汪宇(1982一)，男，吉林人，在读硕士研究生，研究方向为机械设计及理论。第31卷第9期2009—09[1291、l生訇化1．2床身静刚度分析表1机床床身前5阶固有频率及相应振型床身分析过程中，边一阶二阶二阶四阶五阶界条件的正确确定和设频率

6、256．6364．1405．6489．7536．4置是正确分析的必要条振犁在XY平面内绕Y轴扭转XZ半面内在Yz平面弯在Yz平面内弯弯曲并绕x曲弯曲并绕x件。通过机床主电动机功轴扭曲轴扭曲率和机床加工工件的最大尺寸，以及主轴转速，计算机床的额定扭矩和额快，但要求比Subspace法内存多大概50％。Block定力，由Fx：Fy：Fz=0．3：0．5：1．0得到3个切削分力，计Lanczos法采用稀疏矩阵方程求解器i1。算立柱，床鞍，主轴箱等构件的重量并将上述重量得该机床床身前5阶固有频率、频率、振型如表1所示，前二阶模态变形结果如图

7、3、图4所示。均作为作用在床身上的附加质量处理，即在相应坐标位置创建质量单元模拟其质量，或者作为作用在床身上的附加载荷处理。1_2．1约束条件床身通过10个地脚螺钉与地基固定，简化为在地脚螺钉面上加全约束，以达到约束的目的。1．2．2网格的划分由于机床机构过于复杂，采用WORKBENCH自动划分网格，在Workbench中一般不需要选取单。。。元类型，划分方法是HexDominant运用的是四面体图3机床床身l阶模态云图与六面体结合的划分方式，由于在导轨处有许多无法简化的小的阶梯，在这些地方采用局部的细化网格的方法来划分，得：~1

8、

9、44483个单元135144个节点。床身的位移云图如图2所示。’。0O(ram，．：图4机床床身2阶模态云图2床身的结构优化ANSYSWORKBENCH提供了基于试验设计技图2位移云图术的优化技术，即DOE技术。ANSYSDesign