在机床结构有限元法建模中的动态力学的研究与应用.docx

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1、在机床结构有限元法建模中的动态力学的研究与应用 摘要： 本文对机床结合面特性进行了简洁分析，重点对机床结构有限元动态分析的基本理论和有限动力学软件和模型进行了分析探讨。 Abstract： This article makes a simple analysis combined with surface features of NC machine tools， and takes analysis and research on the basic theory of finite element dynamic analysis of machine tool structure and

2、 limited dynamic software and the model. 关键词： 现代机床；力学；机床结构；动态分析；动力学模型；分析探讨 Key words： modern machine tools；mechanics；the structure of the machine tool；dynamic analysis；dynamic model；analysis and research 中图分类号：TG502 文献标识码：A 文章编号：1016-431134-0034-02 1 概述 机械结构的结合面动力学参数对建立正确的动力学模型有着确定性的影响。机床结构动、静态特应当具有

3、越来越高的动、性的探讨已经成为当今机床行业的重要环节之一。机械结构的模块化设计以有限元分析为核心，动态结构优化为基础，通过结构的优化，不仅使零部件的静力学性能得到改善，还使结构的抗振特性得到提高，节约材料，获得最佳的结构尺寸。机床床身是机床的重要基础件，它的动态特性和静态特性干脆影响机床的加工精度及精度稳定性。 目前，国内外对机床结构在动载作用下的结构疲惫强度和动应力分析方法涉及相对很少，主要缘由是由于车床结构相对困难和现场结构耐久性试验费用昂贵。而假如仅通过施加常幅设计载荷谱将静强度分析结果干脆应用在车床结构的疲惫强度评估，虽然方法简洁，但会产生严峻问题，因为实际服役的机床车体结构承受的主要

4、是随机的动载荷。基于相关领域结构疲惫探讨成果，吸取文献中最新算法，提出一种利用多体动力学仿真和有限元分析相结合的方法对车床结构的疲惫寿命仿真，并对其绽开较为系统的探讨。美国Michigan高校的TJiang和M.Chiredastcc，在应用有限元法和动态分析的基础上，又提出一种数学模型来模拟机床结构的联接形式，建立整机的模型并对机床结合面的联接件的位置和数量进行拓扑优化设计。 2 力学在车床应用的主要探讨工作 探讨范围主要集中在机车的多体动力学仿真、车体结构有限元分析和结构疲惫寿命预料上。利用ANSYS计算车床结构的应力计算；结合材料S-N曲线和疲惫损伤累积理论进行疲惫寿命预料。机床结构多体

5、动力学分析的重要前提之一，就是如何利用轨道空间谱转化为时域的轨道激励，使得功率谱转换产生的轨道激励时域信号的频率、相位和幅值特征不丢失。参照James Andrew地形PSD技术，提出一种轨道谱时频转换的简洁方法，即通过构建轨道谱的时频转换算法，解决了常规方法转换过程谱特征信息丢失的问题，为机床动力学精确仿真供应重要支持。通过多体动力学软件SIMPACK对机床系统动力学仿真，可以更加深化探讨机床车体结构抗疲惫特性，进而了解车体结构动态特性和结构疲惫普遍影响规律。 还有就是，元结构变量化动态分析，元结构是把机械结构大件就其组成的形体进行分解，最终可分解得一些拓扑结构改变不大、相对独立的基本单元结

6、构，可称为元结构。其结构单元特性会影响到整个结构特性的优劣。 床身包含内部纵横筋板结构和导轨等主要元素。根据元结构的概念和划分原则，先将内部独立的元结构进行分析，以便确定合理的床身元结构。 现以床身的开口窗口、地脚螺栓、筋板为探讨对象，来分析这些元结构与固有频率的关系。 a型：将床身前面的小窗口封上；b型：将床身前面的大窗口的高度由原来的0.31m改为0.22m；c型：在b型的基础上，将床身底部内侧4个地脚螺栓连接板的厚度由原来的0.02m变为0.03m；d型：在b型的基础上，增加两个地脚螺栓；e型：在d型的基础上，将床身右侧的方孔改为圆孔；f型：在e型的基础上，在床身前面小窗口下增加两个宽度

7、和厚度均为0.03m高度为0.15m的长方体筋板，在床身后面内侧小窗口对面也增加一个此类型的长方体筋板。 3 机床结构有限元动态分析的基本理论和软件分析 运用结构动态设计原理和有限元法的变量化分析技术，提出一种机床床身结构的动态设计方法和流程。一般先提取床身的典型元结构对其进行优化，在此基础上以床身结构固有频率为优化目标，以元结构优化结果为依据，提出该床身结构若干改进方案，并对各方案进行比较分析。有限元方法是结构分析中的一种数值法，它已成为分析连续体的强有力的工具。有限元方法在数学上是指求解偏微分方程的一种数值方法，在力学上则是指求解连续介质力学的一种离散方法。有限元方法的计算精确度取决于计算

8、模型中所选用单元的质量、求解限制方程的精确度、以及离散化的方式。而有限元方法的计算精确度则依靠于计算模型的物理特性靠近真实结构物理特性的程度。因此，建立正确合理的计算模型是求解任何工程问题是所必需解决好的首要任务。 ANSYS的原代码超过101000行，它不仅能够进行静态或动态的有限元分析，还能进行热传导、流体流淌和电磁学方面的有限元分析。ANSYS中供应的各种单元形式可以用以应付各领域的分析，而在结构的动力学分析中，三维实体单元一般采纳以下三种单元：8点节六面体单元，20节点六面体单元及10节点四面体单元。软件分析步骤如图4。 4 变量化动态分析过程 变量化分析是在参数化、变量化造型和有限元

9、分析的基础上进一步发展的一种面对设计的快速重分析方法。在设计早期进行设计验证和预料产品性能，可削减产品开发过程的反复。对床身变量化优化，首先要对床身拓扑结构进行分析，选取适当的结构单元类型，再建立有限元变量化模型。变量化动态设计的一般过程4如图5所示。 5 结束语 从二十世纪六十年头中期以来，由于振动理论和结构动力学理论、动态试验技术、计算机技术等方面的发展，使探讨进入一个全新的计算机协助分析和优化设计的定量探讨阶段，为机床的动态特性探讨供应了坚实的理论基础和先进的测试手段，系统地建立了机床动态特性的探讨理论，达到了肯定的好用程度，并在不断地深化和发展。 参考文献： 1林贤响，卢波，翁泽宇，梅

10、金虎，朱甫宏.基于相关分析的平面磨床动力学建模方法J.轻工机械，2022. 2王军，马培花，高永江.基于ANSYS的X2120落地式镗铣床谐响应分析J.组合机床与自动化加工技术，2022. 3杨勇.重心驱动及导轨结合面参数对机床动力学性能的影响D.南京航空航天高校，2022年. 4蔡勇.基于能量平衡原理的机床动态设计技术探讨D.浙江工业高校，2022年. 5杨家华，陈为福，黄旭东，管华.机床床身立柱结合面参数识别的探讨J.北京工业高校学报，11019. 第6页 共6页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页