基于ANSYS的普通車床床身有限元結(jié)構(gòu)分析

平華麗 郭旭紅

（1.蘇州大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021；2.蘇州工業(yè)園區(qū)工業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 蘇州 215021）

0 引言

機床制造技術(shù)的主要長期目標(biāo)一直是著眼于提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量。但近幾年，隨著人們環(huán)保意識的增強以及自然資源的日趨緊缺，生產(chǎn)過程中對能源、資源的有效利用，減少污染等在機床的設(shè)計理念中扮演著越來越重要的角色。因此，很多國內(nèi)外專家一直在進(jìn)行機床的優(yōu)化研究，從而不斷對機床進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以達(dá)到節(jié)省材料、降低能耗和減輕環(huán)境污染的目的。文獻(xiàn)［1］提出了3種鑄鐵床身優(yōu)化設(shè)計方案，通過采用最優(yōu)化設(shè)計的理論體系和方法進(jìn)行綜合比較后，得出圓通孔型筋板床身為較好的設(shè)計方案，并對材料進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)［2］利用有限元分析軟件對立柱進(jìn)行分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過改變床身肋板的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。文獻(xiàn)［3］通過對床身的動態(tài)特性分析，將焊接床身結(jié)構(gòu)改為鑄造結(jié)構(gòu)，達(dá)到減輕結(jié)構(gòu)重量的目的。本文以CA6140普通車床為研究對象，采用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，得到床身的分析結(jié)果，從而可以據(jù)此結(jié)果進(jìn)行床身的優(yōu)化，適當(dāng)調(diào)整床身結(jié)構(gòu)，達(dá)到輕量化的目的。

1 床身實體模型和有限元模型的建立

要對床身進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，首先需為床身建立實體模型，本研究采用三維軟件CATIA進(jìn)行實體模型繪制。CA6140床身是先整體鑄造后進(jìn)行加工而成，床身材料為HT300，詳細(xì)信息如下：材料名稱為HT300，密度為7 300 kg／m3，泊松比為0.25，楊氏彈性模量為1.3×105N／mm2。

利用CATIA建立普通車床CA6140床身的三維模型后，將模型導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行分析，并采用自由劃分方式對床身模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，輸入上述床身相關(guān)參數(shù)，設(shè)定網(wǎng)格劃分精度為6，得到網(wǎng)格模型。

2 床身靜力分析

CA6140床身主要起支撐機床的作用，應(yīng)具有良好的剛性、熱穩(wěn)定性以及抗震性。本研究不考慮床身受到的地基的影響，只對床身承受的外載荷以及工作產(chǎn)生的附加力進(jìn)行研究。在實際使用中，CA6140普通車床主要是用來進(jìn)行車削加工，因此下面著重對CA6140普通車床在車削加工下所受的切削力進(jìn)行分析計算。

床身在工作時，除了受到切削力，還要考慮床身的自重以及與之相連的床頭箱、尾座、床鞍、刀架和工件等的重力，這些外載荷對床身的變形也起到很大的作用?，F(xiàn)通過分析以及經(jīng)驗計算得到床身上的外載荷為20 000 N。

受力分析后，要對床身施加約束與載荷。在本研究中，對有限元模型施加約束時將床身底部進(jìn)行全約束。施加約束后，將載荷施加到床身面上，通過ANSYS求解器對有限元模型進(jìn)行分析計算，求解完成后進(jìn)入后處理器觀察床身車削時有限元模型的應(yīng)力云圖，如圖1所示。

圖1 車削時床身的應(yīng)力云圖

從圖1可知，床身的應(yīng)力值在5 MPa以下，最大為4.12 MPa。最大的應(yīng)力值產(chǎn)生在床身左端的下部。本研究中床身材料為HT300，其抗拉強度為300 MPa，遠(yuǎn)大于床身的最大應(yīng)力值，可知從應(yīng)力角度分析，材料有很強的抗破壞能力。應(yīng)用強度理論進(jìn)行校核，床身滿足強度要求，并且可對其進(jìn)一步優(yōu)化。

對床身進(jìn)行分析時，不僅要進(jìn)行如上所述的強度分析，還要進(jìn)行剛度分析，即分析床身在受力時抵抗彈性變形的能力。圖2為車削時的位移分布云圖。

圖2 車削時位移分布云圖

由圖2可知，床身在進(jìn)行車削時最大變形量為0.003 97 mm，發(fā)生在床身的床頭箱部位。

3 床身結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

在對CA6140床身的研究中，首先進(jìn)行了靜力分析，而對于機床這個整體來說，還需考慮其機械結(jié)構(gòu)的固有頻率，分析機床的動態(tài)特性以及振動對機床加工精度的影響。對普通車床CA6140的床身而言，模態(tài)分析主要集中在低階模態(tài)分析上，運用蘭索斯法提取床身的前6階模態(tài)，可得到床身的固有頻率和振型。床身的前6階固有頻率如表1所示。

表1 床身前6階固有頻率 單位：Hz

床身的前6階振型如圖3～圖8所示。

圖3 床身第1階振型圖

圖4 床身第2階振型圖

圖5 床身第3階振型圖

圖6 床身第4階振型圖

圖7 床身第5階振型圖

圖8 床身第6階振型圖

從以上6階的固有頻率和振型圖可知，床身固有頻率均比較高，說明床身結(jié)構(gòu)的動剛度較好。床身兩側(cè)面板未有明顯變形，可適當(dāng)調(diào)整兩側(cè)面板厚度，在滿足機床性能的情況下減輕機床重量，達(dá)到優(yōu)化的目的。

4 結(jié)語

本文利用三維軟件CATIA為普通車床CA6140建立實體模型，并導(dǎo)入有限元軟件ANSYS中進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)床身兩側(cè)面板未有明顯變形，在滿足床身動靜態(tài)指標(biāo)以及剛度的前提下，可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，減小兩側(cè)面板厚度，從而保證在滿足機床性能的前提下減輕機床重量，達(dá)到輕量化的目的，并可為后續(xù)進(jìn)行床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

［1］林天清.數(shù)控車床床身結(jié)構(gòu)動態(tài)分析與優(yōu)化研究［D］.昆明理工大學(xué)，2009

［2］楊永亮.基于有限元的車床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化［D］.大連理工大學(xué)，2006

［3］吳良寶.CK1440型數(shù)控車床床身動態(tài)特性分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)［D］.南京理工大學(xué)，2011