基于ABAQUS的大型數(shù)控導(dǎo)軌磨床床身振動(dòng)特性分析

崔高健，王元民，楊 軍

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

0 引言

某機(jī)床廠生產(chǎn)的MK53160大型數(shù)控導(dǎo)軌磨床采用龍門同床身分離結(jié)構(gòu)，所以其床身主要承受機(jī)床的靜載荷。床身的振動(dòng)特性直接影響機(jī)床的抗振性和穩(wěn)定性，因此床身必須有合適的固有頻率及其相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)振型。本文以MK53160-10床身為研究對(duì)象，運(yùn)用SolidWorks軟件建立三維模型，在有限元分析平臺(tái)ABAQUS上進(jìn)行模態(tài)分析，得出床身的固有頻率和振型［1］。

1 建立有限元模型

1.1 分析模型

針對(duì)ABAQUS軟件實(shí)體建模功能相對(duì)薄弱的缺點(diǎn)，本文采用的建模方法是在三維CAD軟件SolidWorks中建立床身機(jī)構(gòu)的實(shí)體模型，在建模時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)中半徑小于10mm圓角和半徑小于10mm的工藝孔進(jìn)行了簡(jiǎn)化。MK53160大型數(shù)控導(dǎo)軌磨床床身的簡(jiǎn)化實(shí)體模型如圖1所示。

圖1 MK53160機(jī)床床身簡(jiǎn)化模型

MK53160大型數(shù)控導(dǎo)軌磨床床身由HT200鑄造而成，床身導(dǎo)軌采用雙V結(jié)構(gòu)。由于床身的總長(zhǎng)度有16m，從鑄造、加工等各方面考慮，采用分段加工、裝配拼接的結(jié)構(gòu)。MK53160床身分為床身前段、床身中段和床身后段。床身前段和床身中段、床身中段和床身后段都是由6個(gè)M36的雙頭螺栓鎖緊。

1.2 劃分網(wǎng)格

在SolidWorks中建立MK53160床身的各零部件，并完成床身的整體裝配，另存為Parasolid（＊.x＿t）格式，利用ABAQUS提供的與SolidWorks的接口功能，將保存的床身結(jié)構(gòu)模型Parasolid（＊.x＿t）格式文件導(dǎo)入ABAQUS中，這樣就完成了對(duì)床身實(shí)體的建模。定義床身材料HT200，其彈性模量E＝1.48×108Pa，泊松比θ＝0.31，質(zhì)量密度ρ＝7 250kg/m3。床身由墊鐵支撐，可以簡(jiǎn)化為通過(guò)地腳螺栓與地面固定。

考慮到研究目標(biāo)的三維實(shí)體模型的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，采用合適的網(wǎng)格劃分方法，并且兼顧有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文對(duì)床身模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí)采用精度較高的C3D10M（修正的十節(jié)點(diǎn)二次四面體單元）［2］。全局網(wǎng)格大小設(shè)置為0.8，劃分網(wǎng)格后總節(jié)點(diǎn)數(shù)為143 637，總單元數(shù)為129 592。所得模型如圖2所示。

圖2 機(jī)床床身的有限元模型

2 床身的模態(tài)分析

在機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程中，尤其是在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中，模態(tài)分析扮演著重要的角色，它主要用于計(jì)算模型的固有模態(tài)中的兩個(gè)基本參數(shù)：固有頻率及其振型。知道了機(jī)構(gòu)的固有頻率，一方面可以在設(shè)計(jì)與改進(jìn)時(shí)使其固有頻率避開使用環(huán)境中的外部激勵(lì)頻率；另一方面，通過(guò)對(duì)模態(tài)振型的分析，還可以了解部件的彎曲剛度和扭曲剛度的分布情況 ，找出部件結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)和可能破壞的區(qū)域，從而為部件的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供必要的依據(jù)［3］。

在模態(tài)分析中，因振動(dòng)被假定為自由振動(dòng)，所以只有邊界條件起作用，而載荷對(duì)分析結(jié)果并沒(méi)有影響。設(shè)置分析步為線性攝動(dòng)步（liner perturbation）中的頻率提取分析步（frequency extraction）。由于高階模態(tài)的固有頻率已遠(yuǎn)高于實(shí)際工況所能達(dá)到的激振頻率，一般不會(huì)發(fā)生共振，故只提取前30階固有頻率和振型［4－6］。本文給出機(jī)床床身前10階固有頻率見表1，機(jī)床床身前3階振型如圖3所示。通過(guò)振型可知，各階的劇烈振動(dòng)位置也不相同，扭曲程度差異很大。

表1 床身前10階固有頻率Hz

3 結(jié)論

通過(guò)模態(tài)分析可見，機(jī)床床身的1階固有頻率為52.42Hz，當(dāng)激振頻率達(dá)到固有頻率時(shí)，其振幅將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其允許的位移量，直接影響其結(jié)構(gòu)性能甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。根據(jù)上述分析，可通過(guò)以下措施提高機(jī)床的抗振性和穩(wěn)定性：合理布置各段床身內(nèi)部筋板；改善各連接處的剛度；改善床身結(jié)構(gòu)的阻尼特性；合理選擇工藝參數(shù)。

今后應(yīng)選擇合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化機(jī)床的床身結(jié)構(gòu)，避免外界環(huán)境激振引起的床身共振，提高床身的抗振性和穩(wěn)定性。

圖3 機(jī)床床身前3階振型

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