有限元分析的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2013-06-06 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

針對在加工中由于橫梁部件剛度不足在工件表面產(chǎn)生波紋狀刀痕的情況,使用三維軟件SolidWorks以及有限元分析插件CosmosWorks對現(xiàn)場銑床進(jìn)行建模和靜、動態(tài)性能的分析,依據(jù)橫梁振動相對變形的振型和幅值,以及機(jī)床的工作環(huán)境和機(jī)床設(shè)計的結(jié)構(gòu)力學(xué)理論,提出了對橫粱的幾項改進(jìn)建議,通過有限元分析其性能有較大提高,并通過模態(tài)實驗進(jìn)行驗證,將實測值與理論值對比可知,改進(jìn)后橫梁具有較好的靜、動態(tài)性能,證明橫粱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是可行的。
作者: 謝黎明*李大明*沈浩*靳嵐來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 有限元分析 CosmosWorks 現(xiàn)場銑床橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

現(xiàn)場銑床是用于石化裝置的現(xiàn)場加工設(shè)備。為了適應(yīng)現(xiàn)場的加工環(huán)境,要求現(xiàn)場銑床在滿足性能、精度等條件下,其質(zhì)量和體積盡可能最小。銑床由于橫梁部件剛度不足在加工中工件表面產(chǎn)生波紋狀刀痕,影響了加工精度和表面質(zhì)量。本文借助CosmosWorks有限元軟件,建立銑床有限元模型,對主要移動部件進(jìn)行靜、動態(tài)性能分析,提出對銑床結(jié)構(gòu)合理的改進(jìn)方法。圖1為現(xiàn)場銑床的結(jié)構(gòu)示意圖。

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     1 有限元模型的建立

采川SolidWorks軟件建立現(xiàn)場銑床的三維實體模型主軸箱的重力及懸臂產(chǎn)生的扭矩M直接作用于橫梁,使得橫梁扭轉(zhuǎn)變形(見圖2),所以橫梁為現(xiàn)場銑床的關(guān)鍵部件,它的剛度直接影響加工精度,因此把橫梁作為主要分析的對象。圖3為現(xiàn)場銑床橫梁的實體模型。

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2橫梁原結(jié)構(gòu)的有限元分析

     2.1模型簡化

橫梁為鋼板焊接結(jié)構(gòu),閃此各個焊點(diǎn)均作為模型的剛性節(jié)點(diǎn),將主軸箱簡化為和實際結(jié)構(gòu)基本重量一致的箱形結(jié)構(gòu),考慮到主軸箱與滑板的接觸變形遠(yuǎn)小于橫梁的變形,所以滑板與主軸箱的接觸面定義為剛性接觸。

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     2.2劃分網(wǎng)格

對橫梁的實體模型導(dǎo)人CosmosWorks有限元軟件中,建立有限元計算模型,采用實體單元劃分網(wǎng)格,單元數(shù)目為17256,節(jié)點(diǎn)數(shù)目為9352,自由度數(shù)目為97659。

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     2.3定義約束和施加載荷

橫梁兩端通過螺釘固定在滑座上,在有限元模型中,把橫粱的邊界約束簡化為與同定螺栓位置相對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)的各個方向的自由度,即周定與螺栓位置相對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的各個自由度來實現(xiàn)對橫梁的約束,橫梁受力為主軸箱的重力和銑削力,橫梁的最大變形量發(fā)生在主軸箱運(yùn)行到橫梁中間位置時:圖4為劃分網(wǎng)格后對橫梁和滑板施加載荷約束后的模型圖,通過求解,橫梁的最大變形量為0.1547mm,實測加工時為(0.15-0.20 mm)左右,分析結(jié)果與實際加工的誤差基本一致,遠(yuǎn)大于工件0.06mm的平面度要求。圖5為原結(jié)構(gòu)位移云圖。對機(jī)床進(jìn)行模態(tài)分析,可以明顯表現(xiàn)出機(jī)床動態(tài)特性為圖6、7的第一、二階振型圖。表l為前五階的固有頻率和振型:通過分析可知第一階振型中橫梁在外力激勵下產(chǎn)生較大幅度的變形,在加工過程中使銑刀的定位精度變差,嚴(yán)重影響了工件的加工精度。因此要對橫梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

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3橫梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)和分析

     3.1橫梁結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

從以上分析可知,橫梁的剛度不足是影響變形的主要原因。在橫梁改進(jìn)設(shè)計中,考慮到機(jī)床的工作環(huán)境等方面因素,改進(jìn)時對橫梁基本結(jié)構(gòu)不作大的變動,為提高橫梁抗扭剛度采用了對角筋板抗扭理論,將橫梁內(nèi)部的筋板改為x型;為了充分發(fā)揮縱向筋板的抗扭性能,筋板布置角度應(yīng)盡量與水平面成45。和135。的方向,改進(jìn)的方案如下:

     (1)將筋板數(shù)量由原3塊變?yōu)?塊,厚度由10mm增加到15mm;
     (2)在橫梁內(nèi)部加一條縱向的水平筋板s.厚度為15mm;
     (3)將梯形角d由16。增大為20。;
     (4)橫梁內(nèi)部新增X型筋板,厚度為15mm,寬為30mm。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)見圖8。

     3.2有限元分析

將改進(jìn)后的橫梁模型導(dǎo)入有限元分析軟件中,經(jīng)過分析計算后得出橫梁的變形(見圖9)以及橫梁的振型結(jié)果,橫梁在加工過程中的最大變形量為0.056mm,改進(jìn)后橫梁最大變形量比改進(jìn)前明顯降低。

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     3.3計算結(jié)果與實驗驗證

為驗證上述改進(jìn)的合理性,對銑床進(jìn)行了模態(tài)實驗。用一剛度小的索懸掛激振器,分別在主軸端部的三個方向上對機(jī)床進(jìn)行正弦掃頻激勵,在銑床上布置了14個測點(diǎn),通過安裝在主軸端前端、橫梁上部和滑板上的8個加速度傳感器拾取系統(tǒng)的振動信號,對其進(jìn)行模態(tài)分析。

從表2中可以看出,本文的計算結(jié)果與試驗測試結(jié)果比較吻合,橫梁動態(tài)性能有了明顯提高。其中,一階頻率偏差相對較大,這是因為機(jī)床主軸箱與滑板的接觸剛度在計算時沒有考慮,導(dǎo)致一階模態(tài)結(jié)果偏小。

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4結(jié)束語

通過有限元法對原橫梁及改進(jìn)后的動態(tài)分析和對比,探討橫梁內(nèi)部筋板的布局對其動態(tài)性能的影響,并以橫粱振動模態(tài)相對位移量的大小為設(shè)計的參考依據(jù),提出了對橫梁的改進(jìn)建議,并通過實驗驗證,橫梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是可行的,對減小其變形量、提高加工精度起到良好的作用。

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