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2020-11-04
超重型數(shù)控龍門移動鏜銑床橫梁的有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化
在有限元仿d真過程中，考慮橫梁、溜板、滑枕式鏜銑頭等的重力對橫梁體的影響。在橫梁中部施加垂直方向的載荷，模擬滑枕式鏜銑頭等移到橫梁中部時的受力情況。跟著機(jī)械化進(jìn)程不斷加劇，數(shù)控編程開始廣泛應(yīng)用與于機(jī)床類操縱，極大的開釋了勞動力。例如根據(jù)橫梁、溜板、滑枕式鏜銑頭等橫梁部件三維模型的裝配位置，在質(zhì)心上的 0D 集中質(zhì)量單元上添加橫梁、溜板、滑枕式鏜銑頭等橫梁部件的集中質(zhì)量30 t 的重量，并對橫梁體模型空間施加重力加速度:9． 81 m / s2。橫梁體有限元分析中約束結(jié)果如圖7 所示。
文獻(xiàn)［7］基于有限元分析方法預(yù)估彈性橫梁靜態(tài)承載曲線，進(jìn)而得到橫梁起拱曲線，并通過實驗對起拱曲線進(jìn)行驗證。
文獻(xiàn)［8］通過對龍門加工中心橫梁關(guān)鍵尺寸的靈敏度分析，找出了對橫梁靜變形量和一階頻率影響較大的尺寸變量，上下壁厚是橫梁結(jié)構(gòu)靜變形量靈敏度大的尺寸，縱向筋板是橫梁結(jié)構(gòu)一階固有頻率靈敏度大的尺寸; 以橫梁靜變形量和一階模態(tài)頻率為性能指標(biāo)，結(jié)合靈敏度分析結(jié)果，采用變尺寸法對橫梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，提高了橫梁的靜動態(tài)特性，并降低了橫梁的重量。采用10節(jié)點四面體有限單元網(wǎng)格對橫梁體有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果為:橫梁部件中的單元數(shù)目為328149，節(jié)點數(shù)目為397719。
文獻(xiàn)［9］中數(shù)控龍門機(jī)床 8 m 長的橫梁材料采用高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼 Q345B，采用焊接工藝加工。利用 ANSYS Workbench 對機(jī)床橫梁進(jìn)行了靜動態(tài)有限元分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，并且制造出機(jī)床。
文獻(xiàn)［4］中數(shù)控機(jī)床尤其是銑床，橫梁是很關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)，其設(shè)計水平的好壞直接影響整個機(jī)床性能。對于橫梁的優(yōu)化主要從兩方面考慮: ①在不增加質(zhì)量的前提下，使橫梁上的大變形極小化，提高橫梁的靜剛度; ②優(yōu)化中初階固有頻率不小于設(shè)定值，提高橫梁的動剛度。除橫梁本身的重量外，還要考慮溜板、滑枕式鏜銑頭等移動部件從橫梁一端移動到中部時重力引起橫梁的變形。優(yōu)化的具體實施步驟如下: 首先，通過形狀及拓?fù)鋬?yōu)化確定橫梁佳的截面輪廓和肋板布置方案，得到概念模型; 其次，通過尺寸優(yōu)化確定合理的外形尺寸和肋板厚度。CAE 軟件優(yōu)化模塊可以定義多個設(shè)計變量和狀態(tài)變量，設(shè)計變量為自變量，狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)都是設(shè)計變量的函數(shù)。如橫梁結(jié)構(gòu)的長、寬、高尺寸以及筋板厚度等定義為設(shè)計變量，橫梁結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力隨設(shè)計變量的變化而變化，是設(shè)計變量的函數(shù)，可以定義為狀態(tài)變量，使結(jié)構(gòu)重量極小化定義為目標(biāo)函數(shù)。
