機(jī)床床身變形的計算機(jī)仿真

摘 要：機(jī)床床身的變形直接影響著機(jī)床的加工精度，論文首先將機(jī)床床身簡化為超靜定梁，采用分段積分法建立撓度方程，然后應(yīng)用ANSYS分析軟件對床身進(jìn)行有限元仿真分析，獲得靜載作用下的變形云圖，最后對比理論值與仿真值，從而驗證了理論模型的正確性，為提高數(shù)控機(jī)床的精度及優(yōu)化設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：機(jī)床床身；變形；ANSYS

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.034

0 緒論

機(jī)床床身的變形嚴(yán)重影響機(jī)床加工精度，為此國內(nèi)外學(xué)者針對床身引起的機(jī)床精度損失開展了相應(yīng)的研究工作。李艷[1]以牛頭式電火花加工機(jī)床為研究對象進(jìn)行了仿真分析，Z軸施加配重，而且有利于減小機(jī)床的變形；李初曄[2]利用有限元對數(shù)控龍門銑床的承載變形進(jìn)行了分析；呂亞楠[3]針對并聯(lián)機(jī)床的靜剛度進(jìn)行了仿真分析；朱祥[4]利用有限元軟件建立了大型落地式鏜銑床TKS6916整機(jī)模型。田楊等[5]應(yīng)用有限元-邊界元耦合的方法建立了重型數(shù)控機(jī)床-基礎(chǔ)系統(tǒng)的承載變形模型，并將光纖技術(shù)引入到承載變形檢測中。

由于機(jī)床床身的復(fù)雜性，單純的進(jìn)行仿真分析必然浪費大量的計算資源，本文將床身考慮成超靜定梁，建立了理論模型，通過仿真分析驗證了理論模型的正確性，從而可應(yīng)用該模型進(jìn)行床身變形分析，為機(jī)床設(shè)計提供了簡單、可行的計算方法。

1 理論模型

機(jī)床床身與混凝土基礎(chǔ)通過地腳螺栓固接，因此可視機(jī)床床身為如圖1所示的超靜定梁，本文通過分段獨立的積分法求得梁結(jié)構(gòu)的撓度方程。

由材料力學(xué)知識可知梁的撓曲線近似微分方程有：

對于段：通過一次積分得到轉(zhuǎn)角方程：

通過再一次積分得到撓曲線方程：

段：通過一次積分得到轉(zhuǎn)角方程：

通過再一次積分得到撓曲線方程：

利用如下位移邊界條件、力邊界條件和連續(xù)條件解得積分常數(shù)、（）

，…，，

2 床身變形仿真分析

通過CAD軟件與CAE軟件的無縫對接，本文應(yīng)用大型CAD軟件UG建立機(jī)床三維模型，導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行床身變形仿真計算，在施加約束過程中，論文選擇直接對底部滑座施加載荷，免去機(jī)床橫梁與立柱的有限元計算，通過多次嘗試選擇網(wǎng)格大小為0.2m的網(wǎng)格劃分網(wǎng)格，將機(jī)床自重的一半施加到滑座上，從而完成床身的有限元分析，得到的有限元仿真云圖如圖2所示。

3 結(jié)論

論文將機(jī)床床身簡化成超靜定梁，應(yīng)用工程力學(xué)知識推導(dǎo)了梁結(jié)構(gòu)的變形方程，通過CAD與CAE軟件無縫接口技術(shù)，對床身部分進(jìn)行了有限元的仿真分析。通過仿真分析，驗證了床身變形理論模型的正確性，為機(jī)床的設(shè)計提供了一種直觀的計算方法，解決了依靠分析軟件進(jìn)行的復(fù)雜仿真問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]李艷，楊大勇，劉建勇.基于有限元分析的電火花加工機(jī)床變形研究[J].航天制造技術(shù)，2012（06）：38-41.

[2]李初曄，王海濤，馮長征，馬巖.高速數(shù)控龍門銑床有限元分析高速數(shù)控龍門銑床有限元分析[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2013（02）：75-79.

[3]呂亞楠，王立平，關(guān)立文.一種冗余并聯(lián)機(jī)床靜剛度有限元分析與優(yōu)化設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2008（02）：1-3.

[4]朱祥，寸花英，李坤，劉意，閆偉.大型落地式鏜銑床TKS6916整機(jī)有限元分析[J].機(jī)床與液壓，2013（01）：124-127.

[5]田楊，蔡力鋼，劉志峰，王全鐵，寧越，張柯.重型龍門數(shù)控機(jī)床-基礎(chǔ)系統(tǒng)承載變形[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2016（01）：9-16.

基金項目：遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項目（L2014589）

作者簡介：吳瓊（1982-），男，遼寧鐵嶺人，工程碩士，講師，研究方向：數(shù)學(xué)計算方向。