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基于ANSYS的大型数控车床床身的静态特性分析

http://www.b2b.hc360.com 中国金属加工网 信息来源:互联网发布时间:2018年11月29日浏览:10

  0 引言

  车床在切削过程中,作用在刀具或工件上的切削力不仅使切削层金属产生变形,消耗了功,产生了切削热,还使刀具磨损变钝,从而影响到工件加工表面的加工精度和生产率。因此,在设计机床时,就对其提出了强度及刚度要求。而床身作为数控车床一个关键的结构大件,它的强度和刚度直接影响和制约着车床的稳定性、安全性和可靠性,更是机床加工精度的重要决定因素。所以本文以大型卧式数控车床CKW61100为例,采用常用的有限元软件AN SYS对床身结构进行静力分析,得到在各工作状态下和不同载荷条件下床身的等效应力分布图、最大应力变形图。


  1 有限元静力分析简介

  有限元静力分析是研究结构体在固定不变的载荷作用下的平衡和运动,以及相应产生的应力和变形。通常,我们研究的往往是计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响,包括产生约束反力、位移、应力以及应变等参数;而不考虑惯性、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的变分法。


  2 软件介绍

  2.1 SolidWorks软件介绍

  SolidWorks是基于Windows平台,具有强大功能的二维实体设计软件。该软件不管是在价格上还是在功能使用性上,已经逐步成为主流二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,明确表达工程师的设计意图。

  2.2 ANSYS软件简介

  ANSYS软件是集结构、声场、流体、耦合场、电磁场等分析于一体的大型有限元分析软件。目前广泛应用在流体力学、结构力学、声学及化学等领域的理论仿真研究,同时也应用在汽车工业、航空航天、桥梁、电工电子、重型机械等设计过程中的结构与力学分析。

  ANSYS作为著名、通用、有效的商用有限元软件,具有强大的前处理、后处理及计算机分析能力,能够进行多场耦合,结构-热、电-磁、流体-结构等物理场的等耦合处理求解。


  3 床身静力学有限元分析

  按照以下步骤进行ANSYS线性静力学分析:第一步,构建有限元模型,主要包括导入模型文件、设置材料属性、定义单元类型和划分网格;第二步,施加载荷求解,主要包括定义分析类型、施加载荷和边界条件并求解;第二步,后处理,主要是选用通用后处理器查看等效应力云图节点的应力等。

  3.1建立床身有限元模型

  本文研究的是大型卧式数控车床CKW61100的床身,对其进行静态分析,首先要建立床身的有限元模型,由于专业的CAD软件较ANSYS软件建模效率高,节省建模时间,尤其适用于大型复杂模型。因此,本文采用SolidWoks中已建立的模型导入ANSYS中进行,采用4节点的单元SOLID187进行有限元分析,对床身进行网格划分后的模型如图1所示。

基于ANSYS_1.jpg

  3.2定义材料属性

  CKW61100大型卧式数控车床床身采用HT2 50,泊松比为0.3,弹性模量:E 11Pa。

  3.3施加载荷

  床身施加的约束在ANSYS中被处理为自由度载荷。ANSYS的载荷按其特性分类:可分为自由度载荷、表面分布载荷、体积载荷、惯性载荷、耦合场载荷、以及集中力和力矩。按施加的实体类型划分类,分为直接施加在几何实体上的载荷、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、床鞍等)和工件自重,以及由车削力引起的压力载荷。

  3.4计算求解

  为验证CKW61100大型数控车床床身模型有足够的强度及刚度,笔者对其床身进行静力学分析。取床身的总型变量,x、y、z三个方向的形变量以及最大剪应力等参数作为求解结果。

  3.4.1床身无载荷状态

  床身只承受床头箱重量:2T;卡盘重量:3T;床尾重量:8T;床鞍重量:8T,得到床身的等效应力云图和最大应变云图。

基于ANSYS_2.jpg

  3.4.2床身加载状态

  根据CKW61100的加工范围,本文选用加载6T零件进行静态分析,同样得到床身的等效应力云图和最大应变云图。(图4、图5)

  3.4.3床身平衡状态

  从以上三种情况分析可以得到床身因受不同载荷引起的结构位移、应力和应变等。通过对模型的计算后处理,可以获得床身的整体应力变形情况、最大应力分布情况,由此得到整体床身最大变形量为9.32滋m,最大等效应力值为9.3MPa。通过分析,床身最大变形处和最大等效应力都位于床身导轨的中部,因此可以通过调整优化支撑架结构布局,即可有效改善床身应力和最大变形。(图6、图7)从等效应力云图可得到,在机床床身变形量最大处,最大等效应力达到32.8MPa。而通过查表该床身材料的抗拉强度,其拉伸试验最大等效应力为250MPa,远小于Mises准则的材料拉伸试验应力[滓],该床身还有很大的优化空间。

  4 结论

  本文三维实体模型是按照天水星火机床厂生产的CKW61100大大型卧式数控车床床身设计图纸构设,从而确保模型的准确性及有效性。床身的加载条件严格按照该型机床设计的校核条件,从而确保在极限载荷条件下,对床身进行静力学分析,得出对床身可靠性验证的有效结论。


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