基于ANSYS Workbench的滑座有限元分析

余丕亮，林晓波，唐明松

（桂林机床股份有限公司，广西 桂林 541001）

数控滑枕床身铣床是单立柱侧挂式结构，整机刚性略显不足[1]，为此应用三维软件和有限元分析软件对其进行优化设计，就成为提高强度和刚度以保证加工能力和精度的重要手段。

滑座是支持数控滑座床身铣床Y 向和Z 向移动的重要零件，其受力变形直接影响到滑枕和铣头的精度，笔者以滑座来进行静力结构分析，并进行优化设计。

滑座装配图如图1 所示。

伺服电机通过同步带驱动滚珠丝杆转动，使紧固在滑座上的螺母移动，从而实现滑座沿立柱导轨作Z 向移动，滑枕沿滑座导轨作Y 向移动。同时采用液压平衡油缸来平衡滑座、滑枕、铣头、变速箱等零件产生的重力。

ANSYS 是有限元分析的大型通用CAE 软件，本文采用ANSYS Workbench 对滑座进行静刚度分析。典型的ANSYS Workbench 包括3个步骤：创建有限元模型模型，施加载荷和约束并求解，结果分析和优化[2]。

1 创建有限元模型

1.1 三维建模

本文采用Solid Works 软件进行三维建模，为便于分析和计算，在建立实体模型时不考虑小尺寸的圆角和倒角。模型如图2 所示。

图2 滑座三维模型及载荷图

1.2 导入三维模型

设置材料为HT300，弹性模量为120 GPa，泊松比0.25，密度7 250 kg/m3，抗拉强度290 MPa。

1.3 受力分析

滑座水平导轨面受滑枕、铣头、变速齿轮等零件重力，总和为28 000 N，滑座自身重力G。启动时总惯性力约1 000 N。平衡油缸液压设定为7.5 MPa，油缸内径Ф 75 mm，可算出油缸座受拉力为33 117 N。丝杆螺母紧固在丝杆座上，设丝杆座支反力为F（受力分析如图2 所示）。

1.4 网格划分

网格划分是有限元分析处理的关键工作，网格划分的好坏，将对计算过程和结果产生很大影响，其可分为自动网格划分、映射网格划分和拖拉扫掠网格划分。

对复杂模型，采用自动网格划分比较省时省力[3]。此滑座模型采用自动网格划分，因形状不规则，程序自动产生的是四面体网格（如图3 所示）。

图3 网格划分

网格划分后，得到模型节点数410 439个，单元数231 898个。

2 施加载荷和约束

2.1 输入载荷和约束条件

按图2 所示输入载荷，导轨面上的载荷分布均匀。丝杆座上为全约束部位，F 不输入，滑座自身重力G 由“Standard Earth Gravity”产生。丝杆座接触面设置为全约束，与立柱接触的垂直导轨面设置为Z 向“free”，X 向和Y 向自由度设置为0（如图4 所示）。

图4 载荷与约束

2.2 求解结果

如图5、图6 所示，最大总变形量为67 μm，最大等效应力为23.3 MPa。

图5 总形变图

图6 总形变值和等效应力值

3 分析结果和优化设计

显然，初次设计的滑座，由于最大变形量过大，不符合设计要求，需进行改进。通过查看模型上的等效应力分布，可知丝杆座和油缸座是薄弱部位，侧壁和内腔刚度不足。

优化方案为：增加4 处加强筋，加长油缸座和丝杆座，增大Z 向导轨跨距和宽度。

优化后的滑座如图7 所示。

图7 滑座改进图

对其再次进行网格划分，按前述条件输入载荷和约束条件，并求解，得出总形变如图8 所示，

图8 总形变图

等效应力值如图9 所示。

图9 总形变值和等效应力值

优化设计后，最大总形变值为8.9 μm，符合设计要求。最大等效应力为8.05 MPa，远小于材料极限强度290 MPa。

4 结束语

ANSYS Workbench 能快速对机床零件进行有限元分析，验证模型结构的合理性和安全性，为优化设计奠定基础，降低设计和试验成本。

[1]现代实用机床设计手册编委会. 现代实用机床设计手册[K].北京：机械工业出版社，2006.

[2]杨晓京，等.基于ANSYS 静刚度分析的XK640 数控铣床关键零部件优化设计[J].机床与液压.2007，35(9)：42-43．

[3]李庆龄. ANSYS 中网格划分方法研究[J]. 上海电机学院学报.2006，9(5)：28-29．