基于有限元法的機床結構剛度分析與輕量化設計

□ 王雁寧 □ 高 悅

1.通用技術集團機床工程研究院有限公司沈陽分公司 沈陽 110041 2.沈陽遠大壓縮機有限公司 沈陽 110178

1 結構剛度分析

近年來,隨著有限元理論的成熟和計算機技術的快速發展,有限元技術輔助機械設計越來越廣泛應用于機械產品研發階段。應用有限元技術對機械結構的初步設計進行仿真計算,評估結構的強度、靜剛度,甚至動剛度,可以提高設計準確性和可靠性,縮短樣機研發周期,降低研發成本。筆者將某型號立式加工中心的橫梁作為分析對象,橫梁傳統結構如圖1所示,重點關注導軌安裝面在施加外部載荷時的變形情況。

圖1 橫梁傳統結構

橫梁結構采用傳統經驗設計,內部采用十字形均勻分布筋板布局,內部筋板按鑄造工藝要求開出砂孔,采用HT300材質,外輪廓壁厚為20 mm,內部十字形筋板厚度為15 mm,整體質量為850 kg。由于動態響應特性要求更高,目前的質量無法滿足傳動機構計算要求。傳動機構計算要求橫梁質量在750 kg以內。因此,橫梁需要實現輕量化,質量減小100 kg。在對橫梁進行輕量化設計之前,先應用ANSYS Workbench軟件進行靜力學分析,將分析結果與輕量化后結構在同樣邊界條件下進行對比,以驗證輕量化設計是否有效。

設定材料力學性能,完成模型網格劃分后,施加約束。設定滑塊安裝面為固定面,施加豎直向下的自身重力為7 500 N,對導軌安裝面施加外部載荷6 000 N,外部載荷產生的力矩Fa為2 000 N·m。根據分析情況,得出導軌面相對于固定面的變形量為0.007 mm。約束條件施加情況如圖2所示,橫梁傳統結構變形如圖3所示。

圖2 約束條件施加情況

圖3 橫梁傳統結構變形

2 輕量化設計

對橫梁傳統結構進行輕量化設計,根據原有外形尺寸及主要安裝面、加工面繪制實心模型,如圖4所示。應用ANSYS Workbench軟件自帶的拓撲優化功能,優化時材料力學性能參數及約束條件保持相同,以控制質量為響應目標。要求輕量化后橫梁質量減小100 kg。橫梁實心模型質量為3 750 kg,則拓撲優化設定保留實心模型質量的20%,方可滿足輕量化設計要求。橫梁拓撲優化模型如圖5所示。

圖4 橫梁實心模型

圖5 橫梁拓撲優化模型

根據橫梁拓撲優化模型的質量分布情況可以看出,在受力的導軌面至固定面之間,力的傳遞主要依靠斜接于導軌面與安裝面的四根筋板,其中兩根在橫梁背部呈三角形分布,另外兩根在導軌安裝面向滑塊固定面延伸。在進行輕量化設計時,主要圍繞上述四根筋板進行結構設計。在與滑塊安裝面及導軌面連接處,應著重增大筋板尺寸,并根據拓撲優化模型中質量分布的位置、角度填充橫梁輪廓與內部連接筋板,對內部未起到傳遞受力作用的部分減少筋板排布,減小筋板尺寸,增強質量分布較多部分的筋板結構,保證輕量化設計后的外形輪廓與傳統結構一致。橫梁的起吊、工藝凸臺、驅動組件安裝面、光柵尺安裝面等需與上述四根筋板連接,需適當增大局部筋板尺寸,并結合實際制造及使用條件,設計出輕量化結構,如對部分輕量化開孔處增加反沿,防止出現鑄造缺陷,并將起吊點設計在內部筋板根部等。橫梁輕量化結構如圖6所示。

圖6 橫梁輕量化結構

3 對比分析

對橫梁輕量化模型進行靜力學分析,約束條件與傳統結構一致,以驗證輕量化設計是否滿足要求。分析過程同上,將得到的分析結果與橫梁傳統結構的分析結果進行對比。橫梁輕量化結構變形如圖7所示。

圖7 橫梁輕量化結構變形

在給定條件下,橫梁輕量化結構導軌面最大變形量為0.003 910 2 mm,橫梁傳統結構導軌面最大變形量為0.007 059 4 mm。橫梁輕量化結構較傳統結構質量減小11.8%,相同條件下變形量減小42.9%,既減小了質量,又提升了結構剛度。由此可見,輕量化設計滿足要求。

4 結束語

筆者基于有限元法對機床結構進行剛度分析與輕量化設計,為類似機床結構在減小結構質量、合理分配筋板形式及布局等方面提供參考。對機床結構進行輕量化設計時,應根據結構的重要安裝面、加工面、工藝基準等特征,結合實際鑄造加工能力設計內部筋板,輕量化的前提是保證結構整體剛度。

從靜力學角度對機床結構進行輕量化設計,在結構優化時仍需要考慮結構在瞬態載荷作用下的位移、應力、應變、反作用力等隨時間的變化關系,以及改變結構質量分布后的固有頻率變化情況。因此,在結構輕量化設計時,仍需從模態分析、瞬態動力學分析等角度對結構進行綜合分析,并進行對比。

機床輕量化技術的應用與推廣,有助于提升對綠色環保機床生產制造的了解與認知,還能加速精密機床的設計開發,有效提升產品生命周期中的使用性能效率,延長使用壽命。