基于ANSYS的大型数控车床床身的静态特性分析.pdf

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1、·40·内燃机与配件基于ANSYS的大型数控车床床身的静态特性分析王馨仪（兰州理工大学，兰州730050；甘肃机电职业技术学院，天水741001）摘要：车床的床身是整台机床的重要支承部件，其结构的动态特性和静态特性，对机床的加工精度、加工质量起着至关重要的作用。本文利用SolidWorks建立床身的三维实体模型，然后在ANSYS软件中进行床身静刚度的有限元分析。关键词：大型数控车床；静态分析；有限元；ANSYS0引言ANSYS作为著名、通用、有效的商用有限元软件，具车床在切削过程中，作用在刀具或工件上的切削力不有强大的前处理、后处

2、理及计算机分析能力，能够进行多仅使切削层金属产生变形，消耗了功，产生了切削热，还使场耦合，结构-热、电-磁、流体-结构等物理场的等耦合处刀具磨损变钝，从而影响到工件加工表面的加工精度和生理求解。产率。因此，在设计机床时，就对其提出了强度及刚度要3床身静力学有限元分析求。而床身作为数控车床一个关键的结构大件，它的强度按照以下步骤进行ANSYS线性静力学分析：第一步，和刚度直接影响和制约着车床的稳定性、安全性和可靠构建有限元模型，主要包括导入模型文件、设置材料属性、性，更是机床加工精度的重要决定因素。所以本文以大型定义单元类型和划分网

3、格；第二步，施加载荷求解，主要包卧式数控车床CKW61100为例，采用常用的有限元软件括定义分析类型、施加载荷和边界条件并求解；第三步，后ANSYS对床身结构进行静力分析，得到在各工作状态下处理，主要是选用通用后处理器查看等效应力云图节点的和不同载荷条件下床身的等效应力分布图、最大应力变形应力等。图。据此，可以分析床身在各工况下应力集中部位和最大3.1建立床身有限元模型变形部位，找到静刚度的薄弱区域，为之后的优化分析提本文研究的是大型卧式数控车床CKW61100的床供了可靠的依据。身，对其进行静态分析，首先要建立床身的有限元模型，

4、由1有限元静力分析简介于专业的CAD软件较ANSYS软件建模效率高，节省建模有限元静力分析是研究结构体在固定不变的载荷作时间，尤其适用于大型复杂模型。因此，本文采用用下的平衡和运动，以及相应产生的应力和变形。通常，我SolidWoks中已建立的模型导入ANSYS中进行，采用4们研究的往往是计算那些固定不变的惯性载荷对结构的节点的单元SOLID187进行有限元分析，对床身进行网格影响，包括产生约束反力、位移、应力以及应变等参数；而划分后的模型如图1所示。不考虑惯性、阻尼等随时间变化载荷的情况。有限元分析中的静力学分析的基础是弹性力学

5、的变分法。2软件介绍2.1SolidWorks软件介绍SolidWorks是基于Windows平台，具有强大功能的三维实体设计软件。该软件不管是在价格上还是在功能使用性上，已经逐步成为主流三维实体造型设计软件之一，其具有操作方便、易于掌握的特点，极大地提高了工程师的设计效率，是很实用的CAD设计软件。目前已经广泛应用于机械、汽车、航空等领域。SolidWorks主要采用参数化、特征造型技术进行建立图1床身有限元模型图模型，可以方便快捷对大量复杂形状的实体进行建立和修改，从而在很大程度上缩短零件设计周期，明确表达工程3.2定义材料属

6、性师的设计意图。CKW61100大型卧式数控车床床身采用HT250，泊松2.2ANSYS软件简介比为0.3，弹性模量：2E11Pa。ANSYS软件是集结构、声场、流体、耦合场、电磁场等3.3施加载荷分析于一体的大型有限元分析软件。目前广泛应用在流体床身施加的约束在ANSYS中被处理为自由度载荷。力学、结构力学、声学及化学等领域的理论仿真研究，同时ANSYS的载荷按其特性分类：可分为自由度载荷、表面分也应用在汽车工业、航空航天、桥梁、电工电子、重型机械布载荷、体积载荷、惯性载荷、耦合场载荷、以及集中力和等设计过程中的结构与力学分析。

7、力矩。按施加的实体类型划分类，分为直接施加在几何实InternalCombustionEngine&Parts·41·体上的载荷、施加在有限元模型上的载荷。在静力学分析中，施加的载荷类型主要包括三类：即外部施加的集中力和压力载荷、惯性力载荷及位移载荷。根据床身实际工作状况进行分析，从床身接触面入手，对各个接触面上移动自由度加以约束。在垫铁接触面上，床身螺栓安放在垫铁之上，因此对两者的接触面施加固定约束,限制床身在x、y、z三个方向的移动自由度、转动自由度；其次在地基接触面上，对床身底面与地基接触面上施加固定约束，限制床身在重力方向

8、的移动自由度。有限元分析必须在加载情况基础上进行，只有明确零件工作时的最大承受载荷，才能精确计算零件的静态刚性和强度。根据分析CKW61100车床的床身，可知施加的静态载荷主要包括：床身自重（包括床头箱、卡盘、床尾、床鞍图3无载荷状态的总应变分布云