外圆磨床的有限元分析及优化.docx

外圆磨床的有限元分析及优化1 磨床的三维实体模型及结构分析    所研究的外圆磨床三维实体模型是在solidworks中建立的，如图1所示。图1 外圆磨床三维实体模型    图1为现有外圆磨床的三维实体模型，该结构采用了分为前床身和后床身2部分，在床身里面采用了多块加强筋结构。利用solidworks的质量计算功能，我们得到现有结构的质量是149137kg，总体质量明显偏重，由此可见，对其进行减重优化显得尤为重要。2 磨床的有限元分析    21 磨床的有限元建模    Workebench是某公司提出的协同仿真环境，解决企业产品研发过程中CAE软件的异构问题。面对制造业信息化大潮、仿真软件的百家争鸣双刃剑、企业智力资产的保留等各种工业需求，某公司提出的观点是：保持核心技术多样化的同时，建立协同仿真环境。某仿真协同环境的目标是，通过对产品研发流程中仿真环境的开发与实施，搭建一个具有自主知识产权的、集成多学科异构CAE技术的仿真系统。以产品数据管理PDM为核心，组建一个基于网络的产品研制虚拟仿真团队，基于产品数字虚拟样机，实现产品研制的并行仿真和异地仿真。所有与仿真工作相关的人、技术、数据在这个统一环境中协同工作，各类数据之间的交流、通讯和共享皆可在这个环境中完成。开发这个协同仿真环境的平台便是ANSYS Workbench。    某公司提供各类与仿真相关API以及用户自己知识产权的API在Workbench环境下集成，形成应用程序。希望对某CAD虚拟样机分析时，从CAD系统中链接虚拟样机模型，在Workbench开发的应用程序中设置计算参数，如设计尺寸、工程材料或运行工况等，然后提交给希望的底层求解器求解。计算结果返回Workbench程序进行结果显示。若用户对当前的设计方案不满意，可重新设置参数，再求解，直到对当前的设计方案满意为止。这些满意的设计参数在此处通过双向互动参数传递功能，可以直接返回对应此模型的CAD软件中，生成候选的设计方案。    基于Workbench的仿真环境有三点与传统舫真环境有所不同：(1)客户化：Workbench像PDM那样，利用与仿真相关的API，根据用户的产品研发流程特点开发实施形成仿真环境，而且用户自主开发的API与公司已有的API平等。这特点也称为“实施性”；(2)集成性：Workbench把求解器看作个组件，不论由哪个CAE公司提供的求解器都是平等的，在Workbench中经过简单开发都可直接调用；(3参数化：Workbench对CAD系统的关系不同寻常。它不仅直接使用异构CAD系统的模型，而且建立与CAD系统灵活的双向参数互动关系。利用Workbench的良好的接口，我们可以把solidworks里的模型直接导入到Workbench并划分网格得到有限元模型。    22 单元类型选择和网格大小控制    单元类型和单元大小影响着计算效率，在不影响计算结构准确度的情况下，我们选择四面体单元进行计算，单元大小采用0.1m。得到有限元模型，如图2所示。图2 磨床有限元模型    23 边界条件和载荷的确定    在有限元计算中，边的界条件的确定对最终的计算结果有着相当大的影响，但是在实际问题中，约束情况往往比较复杂，需要在一定程度上进行简化。磨床在工作状态下主要由11块垫铁支撑在地面上，承受着整个床身自重及工作时产生的附加载荷，我们在安装垫铁的位置施加固定端约束。静止状态下，磨床所受的载荷，如表1所示。    24 磨床床身的静力仿真分析    由于磨床加工的工件材料不一样。工件长度由75mm到1000mm不等，相关资料显示工件最大重量时225kg。假设所有工件质量都是225kg，由于加工最小尺寸的工件时容易造成应力集中，所以我们认为加工质量是225kg，长度时75mm的工件时是最危险工况。加载分析得到工作台在导轨上移动时不同位置的变形，如图3、图4所示。可以看出在头架距导轨边界1641的位置变形最大，是此时的危险截面。表1 载荷表图3 磨床水平方向变形图4 磨床垂直方向变形3 磨床床身的减重设计    通过对以上原有结构的有限元分析，可以看出原有结构变形不是很大，存在较大的结构设计空间。基于减重的目标提出一下几种改进方案：(1)筋板厚度减小：15mm改为12mm(2)去掉后床身小筋板，并改变后床身另一块筋板。(3)根据工件加工极限位置，前床身筋板头架端去掉一块，并改变剩余筋板间距。(4)根据工件加工极限位置，前床身尾架端移动一块筋板位置至危险截面处，并删除块筋板。(5)筋板上的孔开大。(6)顶板上的孔和后床身的孔尺寸减小提高刚度比较以上6种方案，得到筋板厚度减为12mm并去掉后床身的小筋板是可行的。观察优化后的结构，可见床身刚度和变形都在需用范围内，结构重量减少了约3，优化结果良好。4 结束语    利用有限元软件ANSYS Workbench对外圆磨床进行分析，较真实地反应了工况，完成了优化设计，经计算优化后更合理，结构重量减轻。证明了此方法的可行性和有效性，对降低成本，提高经济效益有重大意义。