基于ANSYS Workbench 的加工中心横梁有限元分析与优化*

茅启园，沈建明

(常州轻工职业技术学院 机械工程系 ，江苏 常州　213164)

基于ANSYS Workbench 的加工中心横梁有限元分析与优化*

茅启园，沈建明

(常州轻工职业技术学院 机械工程系 ，江苏 常州213164)

摘要：横梁是龙门加工中心关键部件之一，其静动态特性直接关系到整机性能。文章在ANSYS SpaceClaim环境下建立横梁实体模型，运用workbench进行横梁静动态分析计算，并在其基础上利用响应面法对其进行优化设计。改进横梁的肋板结构尺寸，提高性能，为横梁优化提供了理论依据。

关键词：加工中心横梁;静动态特性分析；响应面法

0引言

加工中心可以实现车铣钻磨等多种工序的加工，对机床结构的要求就较高，而加工中心横梁是龙门型加工中心的重要部件，其静动态性能对加工精度的影响较大。本文针对某型号龙门加工中心利用ANSYS SpaceClaim软件进行建模，直接导入到workbench平台,运用workbench进行横梁静动态分析计算，根据分析结果，提出优化方案，改进其该型加工中心的切削加工综合性能。

1建立横梁几何模型

该型龙门加工中心横梁采用O型筋板结构，为焊接结构。横梁截面考虑受弯设计为上窄下宽的梯形结构,高820mm、长4850mm、宽770mm,筋板厚度为8mm，横梁上下壁板的厚度为20mm,横梁左右壁板的厚度为8mm，背部壁板厚度为8mm。 横梁不仅受到外部复杂载荷的影响,还通过滑台带动主轴做进给运动,为防止薄壁振动,横梁内部有9根8mm的筋板，以中间肋板中面为对称面均匀分布。

ANSYS SpaceClaim是基于直接建模思想的参数化模型处理工具，所代表的是一种动态建模技术，即对于无论何种来源的模型都可以直接编辑，而无需考虑模型的历史，不受参数化设计中复杂的关联所约束。通过对横梁的简化细小结构进行简化，利用SpaceClaim软件建立该横梁的模型。横梁的材料为型材,泊松比0.3,弹性模量E=143Gpa，所见模型如图1所示，利用workbench划分网格后如图2所示。

图1　 横梁模型

图2　网格划分

2横梁结构的静态特性分析

横梁承受的载荷是空间载荷,所受到的载荷主要有静动载荷两方面，来源主要有两方面一是横梁自重、Z向滑台以及主轴重量，二是极限工况下切削载荷。横梁自重通过施加重力加速度实现，同时通过对滑台自重和径向切削力进行力的平移，滑台及主轴的自重和径向切削力都对横梁是施加一个偏载力矩。可以确定的是当Z向滑台以及主轴处于横梁正中央位置时横梁所承受的变形达到最大。施加载荷并对横梁与立柱接触面施加固定约束。

通过分析计算,图3为横梁结构的总体位移变形云图所示，图4、图5为Y、X各方向的位移变形云图，横梁的最大变形量为0.018mm，低于其定位精度0.02mm，符合工程要求。

图3　横梁模型总体位移变形云图

图4　横梁模型Y向位移变形云图

图5　横梁模型X向位移变形云图

3横梁结构的模态分析

机床是多自由度的振动系统，其振动形态是复杂的，为了方便分析假定机床振动是线性的，所以分析动态特性可以用模态分析的方法。通过模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型，可以判断振型是否影响加工精度。本文采用的是BLOCK LANCZOS法对机床主轴进行模态分析。表1为横梁结构的前6阶频率，图6、图7为前2阶振型图。

表1　横梁分析结果

图6　第一阶振型图

图7　第二阶振型图

由上图计算分析结构表明，横梁第1阶频率的影响较大，同时后面几阶的频率为横梁筋板的振动，应加强筋板强度，提高动态性能，从而提升加工精度。

4横梁结构的谐响应分析

在铣削过程中,脉冲力为铣刀刀齿上的径向力,脉冲力的频率大小为6n/60Hz。相位角忽略不计。得到横梁各部分的位移-频率响应曲线，横梁结构的谐响应分析结果如图8和图9所示。

图8　横梁端部X向位移-频率响应曲线

图9　横梁背部X向位移-频率响应曲线

谐响应结果看出由于加工过程中的径向铣削激振力的存在,横梁一阶固有频率处，图8显示X坐标方向横梁的响应位移为1.03e-3mm，响应位移较大，表明横梁的动刚度较小，可通过对横梁的结构优化提供了理论依据。

5横梁结构的优化

通过前面的分析可知横梁的静态特性满足工作性能要求，为进一步提高动刚度，对横梁结构进行优化。优化参数选择左右壁板尺寸，筋板的厚度尺寸、背部壁板厚度以及中间O型横梁尺寸。以横梁总重量与低阶固有频率为优化目标。

由于直接优化分析花费的计算太多，而且无法对设计提供较好的建议，本文使用响应曲面法来进行优化。采用Optimal Space-Filling Design法设置样本点实验设计方法以及 CCD样本类型，响应曲面的类型选择Standard Response Surface ，用二阶多项式来拟合。同时在输入参数中勾选Use Manufacturable Values来选工程实践中的板材常见规格尺寸，选择多目标遗传优化算法(MOGA)的进行优化。横梁结构优化参数与优化分析结果如表2所示，优化后横梁总体位移变形云图见图10所示，优化后横梁端部X向位移频响曲线见图11所示。优化后横梁背部X向位移频响曲线见图12所示。

表2　横梁结构优化参数与优化分析结果

图10　优化后横梁总体位移变形云图

图11　优化后横梁端部X向位移频响曲线

图12优化后横梁背部X向位移频响曲线

目标函数原横梁优化后比较总重量(kg)340834481.2%总变形(mm)0.01820.01763.2%一阶频率(Hz)135.4140.63.9%二阶频率(Hz)157.21602%三阶频率(Hz)165.5182.310%横梁端部X向频响位移(mm)1.03e-31e-32.5%横梁背部X向频响位移(mm)6.3e-35.6e-311%

由表3对比可知，优化后的横梁质量为3448kg，相对原横梁增加了1.2%，但横梁的静变形下降了3.2%，一阶固有频率提高了3.9%，X坐标方向横梁的响应位移降幅较大，特别是背部X向响应位移降低了11%。

6结束语

本文在ANSYS SpaceClaim环境下建立横梁实体模型，运用workbench进行横梁静动态分析计算，并在其基础上利用响应面法对其进行优化设计，改进横梁的肋板结构尺寸，提高性能,为横梁优化提供了理论依据。

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(编辑赵蓉)

Finite Element Analysis and Optimization of Machining Center Cross Beam Based on ANSYS Workbench

MAO Qi-yuan,SHEN Jian-ming

(Department of Mechanical Engineering,Changzhou Vocational Institute of Light Industry ,Changzhou Jiangsu 213164 ,China)

Abstract：Cross beam is one of the key parts of planer-type machining center, its static and dynamic characteristics are directly related to the performance of the whole machine. In this paper, the solid model of cross beam is built in spaceclaim ANSYS environment, and the dynamic analysis of is carried out by workbench, and the optimal design is carried out based on the Response SurfaceOptimization method. Improved the structure of the beam size, improve performance. It provides the theoretical basis for the optimization of the beam.

Key words：cross beam;static and dynamic characteristics;response surface optimization

文章编号：1001-2265(2016)06-0078-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.06.020

收稿日期：2015-07-16；修回日期：2015-08-16

*基金项目：常州市工业科技支撑项目 (CE20130011)

作者简介：茅启园(1981—)，男，江苏武进人，常州轻工职业技术学院讲师，研究方向为CAD/CAM/CAE，(E-mail)yufang729@163.com。

中图分类号：TH122;TG65

文献标识码：A