基于Solidworks的機床橫梁有限元模態分析

摘 要：本文主要介紹如何使用Solidworks設計機床零部件，并進行有限元分析。

關鍵詞：Solidworks 機床設計 有限元分析

筆者公司近期研發的一款機床，采用工作臺固定不動，X/Y軸使用十字滑臺的結構。在加工過程中，刀具在XYZ三個方向運動，從而可以實現三軸高速運動，同時工作臺可以承載大的負荷。

為了保證機床具有良好的動、靜態性能，并盡可能減輕其重量，就要進行精密的理論計算。這里將利用Solidworks軟件對機床支承件中的橫梁進行有限元分析，計算出該零件的固有頻率和振型。

一、當前常用的有限元分析軟件及其特點

目前對機械零件進行有限元分析一般采用通用有限元分析軟件，如ANSYS、MARC等。它們擁有豐富完善的單元庫、 材料模型庫和求解器，可以獨立完成多學科、多領域的工程分析問題。其缺點是幾何建模功能不強，無法完成復雜模型的建模，需要通過標準數據接口將建好的模型導入，然后進行計算。但是在模型轉換過程中常常會出現一些問題，特別是復雜模型導入后會出現一些面和線的丟失、無法對模型中的一些特征進行網格劃分等問題。所以在模型轉換后，要花費大量的時間和精力在有限元軟件中進行幾何模型修補工作，這必然導致模型的不一致且增加了額外的工作量。

Solidworks是世界上第一個基于Windows開發的三維CAD系統，并且集成了CAE模塊，可以直接對其生成的幾何模型進行有限元分析。由于Solidworks具有強大的參數化功能，那么在有限元分析中就可以利用該優點進行模型的優化設計。

二、機床橫梁有限元模型的建立和計算

1.建立幾何模型（如圖1）

圖1

2.定義材料屬性

機床橫梁是機床支承件中的重要部件，其在工作時承受十字滑鞍、滑枕和主軸頭的巨大壓力，必須具有較高的強度，所以材料選為灰鑄鐵HT300。根據相關資料，HT300的質量密度為7300；彈性模量為1.43e11；泊松比為0.27。

在模型樹中右鍵單擊模型名稱，在彈出的菜單中點擊【材料】→【編輯材料】命令選項，并在其中定義上述材料屬性。

3.定義約束和載荷

進入Simulation模塊，建立新算例。右鍵單擊夾具，因橫梁是固定在底座上，所以設定橫梁底面為固定面。

裝配線軌，線軌和裝配面之間定義為剛性連接，在線軌的滑塊面上施加載荷，負載25000N，并疊加重力載荷。

4.劃分網格

右鍵單擊【網格】→【生成網格】，進行網格的定義和劃分，參數均采用默認。橫梁的有限元網格模型如圖2所示。

圖2 橫梁有限元網格模型

5.進行有限元計算

右鍵單擊【算例1】→【運行】，進行分析計算，結果如圖3所示。圖形顯示，應力在安全范圍內。

圖3

最大變形量除去滑塊面后就是橫梁的中間，變形小于0.007mm，符合設計要求。

三、機床橫梁有限元模態分析結果

對機床橫梁有限元模型的求解，一般不需要求出振動系統的全部固有頻率和振型，由于低階模態對振動系統的影響較大，因此本文僅計算了前4階模態。固有頻率如表1所示。

從計算結果可以看出，固有頻率在230Hz以上，該機床采用BT30刀具，正常工作頻率較低，可知橫梁的剛性基本滿足要求，但還可以進一步提高。

第一，本文通過對機床橫梁的有限元分析，算出了該機床零件的前四階固有頻率和振型。通過振型和動畫顯示可以很直觀地分析機床橫梁的動態性能，并且找到零件的薄弱環節，為機床支承件的結構設計提供理論依據。

第二，本文提出了采用Solidworks軟件對橫梁進行模態分析的想法，并通過它實現了實體建模和有限元分析計算的無縫集成，提高了有限元分析工作的效率。

（作者單位：安徽省鴻慶精機有限公司）