基於 ANSYS Workbench 的加工（gōng）中心橫梁有限元分析與優（yōu）化
2018-1-22 來源： 常州輕工職（zhí）業技（jì）術學院 作者：茅啟園，沈建明
摘要: 橫（héng）梁是龍門加工中（zhōng）心關鍵部件之一，其靜動態特性直接（jiē）關係到整機性能。文章在 ANSYSSpace Claim 環境下建立橫梁實體模型，運用 workbench 進行橫梁靜動態分析計算，並在其基礎上利用（yòng）響應麵（miàn）法對其（qí）進行優化設計。改進橫梁（liáng）的肋（lèi）板結構尺（chǐ）寸，提高性能，為橫梁優化提供了理論依據。
關鍵（jiàn）詞: 加工中心橫梁; 靜動態特性分析; 響（xiǎng）應麵法
0 引言
加工中心可以實現車銑鑽磨等多（duō）種工序的加工，對機床結構（gòu）的要求就較高，而加工中（zhōng）心橫梁是（shì）龍門型（xíng）加工中心的重要部（bù）件，其靜動態性能對（duì）加工精度的影響（xiǎng）較大。
本文針對（duì）某型號龍門（mén）加工（gōng）中心利用 ANSYSSpace Claim 軟件進行建模，直接導入到 workbench 平台，運用 workbench 進行橫梁靜動態分析計算，根據分析結果，提出優化方案，改進其（qí）該（gāi）型加工中（zhōng）心的切削加（jiā）工綜（zōng）合性能。
1 、建立橫梁（liáng）幾何模型（xíng）
該型龍門加工中心橫梁采用 O 型筋板結構，為焊接（jiē）結構。橫梁截麵考慮受彎設計（jì）為上窄下（xià）寬的梯（tī）形結構，高 820mm、長 4850mm、770mm，筋 板 厚 度 為（wéi）8mm，橫梁上下（xià）壁板的厚度為 20mm，橫梁左右壁板的厚度（dù）為 8mm，背部（bù）壁板厚度為 8mm。
橫（héng）梁不僅（jǐn）受到外（wài）部複雜載荷的影響，還（hái）通過滑台帶動主軸做進給（gěi）運動，為防止薄壁振動，橫梁內部有 9 根 8mm 的筋（jīn）板，以中間肋板中麵為對稱麵（miàn）均勻分布。ANSYS Space Claim 是（shì）基於直接建模思想的參數化模型處理工具，所代表的是一種動態建模技術，即對於無論何種來源的模型都可以直接編輯，而無需考（kǎo）慮模型的（de）曆史（shǐ），不受參數化（huà）設計中複雜的關聯所約束。
通過對橫梁的簡化細小結構進行簡化，利用 Space-Claim 軟件建立該橫梁的模型。橫梁的材料為型材，泊鬆比（bǐ） 0. 3，彈（dàn）性模量 E = 143Gpa，所（suǒ）見模型如圖 1 所示，利用 workbench 劃分網格後如圖 2 所示。
2 、橫梁結構的靜態特性分析（xī）
橫梁承受的載荷是空間載荷，所（suǒ）受到的載荷主要有靜動載（zǎi）荷兩方麵，來源主要有兩（liǎng）方麵一是橫梁自重、Z 向滑台以及主軸重量，二是極限工況下（xià）切削載荷（hé）。橫梁自重通過施加重力加速（sù）度實現，同時通過對滑台自重和徑向切削力進行力的平（píng）移，滑台及主軸的自重和徑向切削力（lì）都對橫梁是施加一個偏載力矩。
可以確定的是當 Z 向滑台以及主軸處於橫梁正中央位置時橫梁所承受的變形達到最大。施加載荷（hé）並對橫梁（liáng）與立柱接觸麵施加固定約束。通過分析計（jì）算，圖 3 為橫梁結構的（de）總體位移變形雲圖所示，圖 4、圖 5 為 Y、X 各（gè）方（fāng）向的（de）位移變形雲（yún）圖，橫梁的 最 大 變 形 量 為 0. 018mm，低 於 其 定 位（wèi） 精 度0. 02mm，符合工（gōng）程要求。
3 、橫（héng）梁結構的模態分析
機床是多自由度的振動係統，其振動形態是複雜的，為（wéi）了方便分析假定機床（chuáng）振動是線性（xìng）的，所以（yǐ）分析（xī）動（dòng）態特性可以用模態分析的方法。
通過模態分析可以確定一個結（jié）構的固（gù）有頻率和振型（xíng），可以判（pàn）斷振型是否影響加工精度。
本文采用的是 BLOCK LANCZOS 法對機床（chuáng）主軸進行模態分析。表 1 為橫梁結構的前 6 階頻（pín）率，圖（tú） 6、圖 7 為（wéi）前 2 階振型圖（tú）。
由上圖計算（suàn）分析結構表明，橫梁（liáng）第 1 階頻率的（de）影響較（jiào）大，同時（shí）後麵幾階的（de）頻率為橫梁筋板（bǎn）的振動，應加（jiā）強筋板強度，提高動態性能，從而提（tí）升加工精度。
4 、橫梁結構的諧響應分析（xī）
在銑削過程中（zhōng），脈衝（chōng）力為銑刀刀齒上的徑向力，脈衝（chōng）力的頻率大小為 6n /60Hz。相位角（jiǎo）忽略不計。得到橫梁各部分（fèn）的位移-頻率響應曲（qǔ）線，橫梁結構的諧響應分析結果如圖
8 和圖 9 所示。
諧響應結果看出由於加工過程中的徑向銑（xǐ）削激振力的存在，橫梁一階固有頻率處，圖 8 顯（xiǎn）示 X 坐標方向（xiàng）橫梁的響應位移為 1. 03e － 3mm，響應位移（yí）較大，表明（míng）橫梁的（de）動剛度（dù）較小，可（kě）通過對橫梁的結構（gòu）優化提供了（le）理論依據。
5 、橫梁結構的優化
通過前麵的分（fèn）析可知橫梁的靜態特（tè）性滿足工作（zuò）性能要求，為進一步提高動剛度，對橫梁結構進（jìn）行優化（huà）。優化參數選（xuǎn）擇左右壁板尺寸，筋板（bǎn）的厚度尺寸（cùn）、背部壁板厚度以（yǐ）及中間 O 型橫梁（liáng）尺寸。以橫梁總重量與低階固有頻率（lǜ）為優化目標。由於直接優化分析花費的計算太多，而且無法對設計提供較好的建議，本文使用響應曲麵法來進行優化。采用
Optimal Space-Filling Design 法設置樣本點實驗設計方法（fǎ）以及 CCD 樣（yàng）本（běn）類型，響應曲麵的（de）類型（xíng）選擇Standard Ｒesponse Surface ，用二（èr）階多項式來擬合。同時在（zài）輸（shū）入參數中勾（gōu）選 Use Manufacturable Values 來選工程實踐中的板（bǎn）材常見規格尺寸，選擇多目標遺傳優（yōu）化算法( MOGA) 的進行優化（huà）。
橫梁結構優化參（cān）數與優化分析結（jié）果如表 2 所示，優化後橫梁總體位移變形雲圖見（jiàn）圖 10 所示（shì），優化後（hòu）橫梁端部 X 向位移頻響曲線見圖（tú） 11 所示。優化後橫梁背部（bù） X 向位移頻響曲線見圖（tú）12 所示。
由表（biǎo） 3 對比可知，優化後的橫梁質量為 3448kg，相對原 橫 梁 增 加 了 1. 2% ，但 橫 梁 的 靜 變 形 下 降 了（le）3. 2% ，一階固有頻率提（tí）高了 3. 9% ，X 坐標方（fāng）向橫梁的響應位移降幅較大，特別是背部 X 向（xiàng）響應（yīng）位移降低了11% 。
6 、結（jié）束語
本文（wén）在 ANSYS Space Claim 環境（jìng）下（xià）建立橫梁實體模型，運（yùn）用 workbench 進行橫梁靜動態分析計算（suàn），並在其基礎上利用響應麵法對其進行優化設（shè）計，改進（jìn）橫梁的肋板結構尺寸（cùn），提高性能（néng），為橫梁優化提供了（le）理（lǐ）論依據。
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