基于有限元法的机床结构刚度分析与轻量化设计

□ 王雁宁 □ 高 悦

1.通用技术集团机床工程研究院有限公司沈阳分公司 沈阳 110041 2.沈阳远大压缩机有限公司 沈阳 110178

1 结构刚度分析

近年来,随着有限元理论的成熟和计算机技术的快速发展,有限元技术辅助机械设计越来越广泛应用于机械产品研发阶段。应用有限元技术对机械结构的初步设计进行仿真计算,评估结构的强度、静刚度,甚至动刚度,可以提高设计准确性和可靠性,缩短样机研发周期,降低研发成本。笔者将某型号立式加工中心的横梁作为分析对象,横梁传统结构如图1所示,重点关注导轨安装面在施加外部载荷时的变形情况。

图1 横梁传统结构

横梁结构采用传统经验设计,内部采用十字形均匀分布筋板布局,内部筋板按铸造工艺要求开出砂孔,采用HT300材质,外轮廓壁厚为20 mm,内部十字形筋板厚度为15 mm,整体质量为850 kg。由于动态响应特性要求更高,目前的质量无法满足传动机构计算要求。传动机构计算要求横梁质量在750 kg以内。因此,横梁需要实现轻量化,质量减小100 kg。在对横梁进行轻量化设计之前,先应用ANSYS Workbench软件进行静力学分析,将分析结果与轻量化后结构在同样边界条件下进行对比,以验证轻量化设计是否有效。

设定材料力学性能,完成模型网格划分后,施加约束。设定滑块安装面为固定面,施加竖直向下的自身重力为7 500 N,对导轨安装面施加外部载荷6 000 N,外部载荷产生的力矩Fa为2 000 N·m。根据分析情况,得出导轨面相对于固定面的变形量为0.007 mm。约束条件施加情况如图2所示,横梁传统结构变形如图3所示。

图2 约束条件施加情况

图3 横梁传统结构变形

2 轻量化设计

对横梁传统结构进行轻量化设计,根据原有外形尺寸及主要安装面、加工面绘制实心模型,如图4所示。应用ANSYS Workbench软件自带的拓扑优化功能,优化时材料力学性能参数及约束条件保持相同,以控制质量为响应目标。要求轻量化后横梁质量减小100 kg。横梁实心模型质量为3 750 kg,则拓扑优化设定保留实心模型质量的20%,方可满足轻量化设计要求。横梁拓扑优化模型如图5所示。

图4 横梁实心模型

图5 横梁拓扑优化模型

根据横梁拓扑优化模型的质量分布情况可以看出,在受力的导轨面至固定面之间,力的传递主要依靠斜接于导轨面与安装面的四根筋板,其中两根在横梁背部呈三角形分布,另外两根在导轨安装面向滑块固定面延伸。在进行轻量化设计时,主要围绕上述四根筋板进行结构设计。在与滑块安装面及导轨面连接处,应着重增大筋板尺寸,并根据拓扑优化模型中质量分布的位置、角度填充横梁轮廓与内部连接筋板,对内部未起到传递受力作用的部分减少筋板排布,减小筋板尺寸,增强质量分布较多部分的筋板结构,保证轻量化设计后的外形轮廓与传统结构一致。横梁的起吊、工艺凸台、驱动组件安装面、光栅尺安装面等需与上述四根筋板连接,需适当增大局部筋板尺寸,并结合实际制造及使用条件,设计出轻量化结构,如对部分轻量化开孔处增加反沿,防止出现铸造缺陷,并将起吊点设计在内部筋板根部等。横梁轻量化结构如图6所示。

图6 横梁轻量化结构

3 对比分析

对横梁轻量化模型进行静力学分析,约束条件与传统结构一致,以验证轻量化设计是否满足要求。分析过程同上,将得到的分析结果与横梁传统结构的分析结果进行对比。横梁轻量化结构变形如图7所示。

图7 横梁轻量化结构变形

在给定条件下,横梁轻量化结构导轨面最大变形量为0.003 910 2 mm,横梁传统结构导轨面最大变形量为0.007 059 4 mm。横梁轻量化结构较传统结构质量减小11.8%,相同条件下变形量减小42.9%,既减小了质量,又提升了结构刚度。由此可见,轻量化设计满足要求。

4 结束语

笔者基于有限元法对机床结构进行刚度分析与轻量化设计,为类似机床结构在减小结构质量、合理分配筋板形式及布局等方面提供参考。对机床结构进行轻量化设计时,应根据结构的重要安装面、加工面、工艺基准等特征,结合实际铸造加工能力设计内部筋板,轻量化的前提是保证结构整体刚度。

从静力学角度对机床结构进行轻量化设计,在结构优化时仍需要考虑结构在瞬态载荷作用下的位移、应力、应变、反作用力等随时间的变化关系,以及改变结构质量分布后的固有频率变化情况。因此,在结构轻量化设计时,仍需从模态分析、瞬态动力学分析等角度对结构进行综合分析,并进行对比。

机床轻量化技术的应用与推广,有助于提升对绿色环保机床生产制造的了解与认知,还能加速精密机床的设计开发,有效提升产品生命周期中的使用性能效率,延长使用寿命。