水切割机床主要支承件的结构优化设计

季鹏 王成阳

【摘 要】本文利用有限元分析软件对某型水切割机床的主要支承件进行了静态分析和结构优化设计。首先，根据受力情况适当简化整机结构、构建水切割机床的实体模型；然后，利用有限元分析软件ANSYS对简化后的模型进行静态分析，得到机床的应力分布和位移分布云图，找出结构上的薄弱环节。最终，以结构安全可靠为原则、运用ANSYS Workbench软件对该机床的横梁和床身两个主要支承件进行拓扑优化。所得到的新支承件结构更加合理，对降低生产成本方面具有重要参考价值。

【关键词】水切割机床；有限元分析；优化设计

中图分类号： TG48 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）33-0025-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.33.010

0 引言

水切割，又称水刀，属于冷切割。其工作原理为液体增压原理，即由设备中的转能装置将机械能全部转换成对水压力能后从小孔喷出，继而全部转换成动能、形成高速水射流，对被切工件进行冲击破坏。

1 初始设置

1.1 三维模型的建立及简化

該型水切割机床X、Y、Z轴的行程分别为1.5m、2.5m、0.31m，主要由床腿、床身、滑台、底座、横梁等部件组成，结构较为复杂。在ANSYS中进行几何建模相对于在其他软件进行几何建模比较困难；除非模型便于使用参数化建模方法，否则一般不在ANSYS中建立模型[1]。因此，该机床最终使用SolidWorks软件建立零部件和整机的三维实体模型。随后按照忽略非承载件、构件表面光滑化、简化非关键部件、主从节点原则、理想焊接和载荷分配，这六条准则进行模型的简化。简化后用于分析计算的模型如图1所示。

1.2 有限元模型的建立

用SolidWorks软件将简化后的三维模型以Parasolid保存，并导入有限元ANSYS软件，本文分析、研究的水切割机床大部分零部件为空间不规则几何体，故选择三维10节点SOLID187四面体结构单元来进行自由网格划分以提高后期分析计算的准确性；其中横梁为薄壁、规则的焊接件，其长度值接近其厚度的600倍，满足选用壳单元的基本原则，但是横梁的内侧和外侧都有零件接触，如果使用普通的壳单元无法建立几何模型，而且还会影响计算精度，故改用三维8节点SOLSH190实体-壳单元进行自由网格划分。

2 支承件的有限元静力分析

2.1 横梁静力分析

在定义了单元类型、材料属性、网格划分、接触定义、施加载荷及约束之后对有限元模型进行求解，通过后处理器查看需要的结果[2]。

如图2所示，从横梁的节点应力分布云图可以看出，横梁结构的等效应力值分布区间为1.12*10-5至30.9513MPa，最大等效应力约为30.96MPa，位于横梁下表面与底座接触处，但其值仍远小于材料的许用应力。横梁结构的等效应力分布较为均匀，大多数区域的等效应力在4MPa以下。材料Q235的屈服强度为235MPa，所以安全系数N=σs/σmax=235/30.9513≈7.59，超过手册最低要求、整体结构是安全的。在横梁与底座的连接处和横梁侧面与导轨连接处出现轻微的应力集中，但此处的最大应力值仍远小于材料的许用应力，对横梁整体的刚度影响不大。所以横梁从应力角度分析，完全能够满足强度要求，而且还具有较大的结构优化空间。横梁结构等效应力分布如下表1所示。

从横梁结构总变形如图3所示，横梁的总变形量如表2所示：总变形量可达0.196mm，横梁结构在三个方向上最大变形分别约为0.046mm、0.043mm、0.188mm。由于水切割机床为三轴机床、主要加工平面轮廓类零件，工作平面为X轴和Y轴所构成的G17平面，因此影响切割精度的主要为X方向和Y方向的变形。该机床的加工精度为0.1mm，因此横梁X方向和Y方向的变形满足精度要求，而且两个方向的变形差距较小。但Z方向的变形较大，可通过结构优化，以增大横梁Z方向的刚度。

2.2 床身静力分析

如图4所示，从床身的节点应力分布云图可以看出，床身结构的等效应力值分布区间为0.0523-30.685MPa，最大等效应力约为30.685MPa，位于床身下表面与床腿接触处，但其值仍远小于材料的许用应力。横梁结构的等效应力分布较为均匀，99%区域的等效应力在4MPa以下。材料HT250的条件屈服强度为150MPa，所以安全系数N=σs/σmax=150/30.6849≈4.8，超过手册最低要求、整体结构设计是安全的。应力集中主要出现在床身与床腿接触的尖端，但此处的最大应力值仍远小于材料的许用应力，对床身整体的刚度影响不大。所以床身从应力角度分析，完全能够满足强度要求，而且还具有较大的结构优化空间。床身结构等效应力分布如表3所示。

如图5所示，从床身结构总变形云图可以看出，床身的总变形最大值约为0.1093mm，位于床身最右端。由于分析时将横梁放置于床身最右端，定性的分析来看，非常符合理论分析，向右端区域变形值呈增大的趋势。如表4所示，床身结构在三个方向上最大变形分别约为0.0153mm、0.0155mm、0.1086mm。其中X方向与Y方向的变形差距较小，但Z方向的变形较大，可通过结构优化，以增大床身Z方向的刚度，使床身结构刚度分布更加合理。

3 机床支承件的优化设计

由横梁的静力分析可知，横梁结构的强度较高，但在三个方向上刚度分布不均匀，其中Z方向的变形最大。这种结果主要是由于Y轴导轨的安装位置导致的，两导轨都安装在横梁的侧壁上，所以横梁和主轴的重心都偏向了一侧。因此，可以通过改变导轨的布置方式，来改变横梁的应力分布，使其尽量分布均匀。改进后具有对称分布特点的新导轨布置形式如图6所示，这样可以保证实际重心位置具理论最佳位置距离最短，可有效的减少横梁的扭转变形。

将改进导轨布置方案重新建模后，再次使用ANSYS Workbench进行拓扑优化，得到如图7（a）和（b）所示的横梁和床身拓扑优化云图。

4 结语

通过使用ANSYS Workbench对该设备的主要支承件（横梁和床身）进行拓扑优化，并根据仿真结果完成对了横梁和床身的结构优化，最后的得到新结构模型符合使用要求。优化后横梁的重量减少了约20kg，床身的重量从减少了约110kg。优化后机床不仅降低了整机的总质量、节约了材料成本，而且依然能够保持较高的强度和刚度。

【参考文献】

[1]张向东.完全掌握ANSYS14.5有限元分析超级手册[M]. 北京：机械工业出版社，2014.

[2]许俊.悬臂式1525水切割机床力学特性分析和结构优化设计[D].东南大学，2013.

[3]魏国峰.基于ANSYS数控车床床身有限元结构分析[J].黑龙江工程学院学报（自然科学版），2008（12）.

[4]徐丹.水切割机床横梁立柱有限元分析及优化[J].南通航运职业技术学院学报，2016（6）.