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基于SAMCEF平台的机床整机动态特性分析机床的动态性能决定了机床的加工能力。
为分析优化机床的动态特性，研发人员在SAMCEF平台下，建立了机床的动力学模型，对该模型进行模态分析，同时采用LMS设备对该机床进行模态测试。
对比发现有限元计算振型与实验基本一致，计算得到的固有频率与实验得到的频率误差在16%之内，验证了该模型的可靠性。
利用该有限元模型，把所有部件作为柔性体建立动力学模型，进行多体动力学分析，研究载荷作用下导向部件及结构部件的动态应力变化情况，分析结果为机床优化设计提供方向。
机床作为生产的重要工具和设备，也被称为工作母机，其动态性能与其加工性能紧密相关，并直接影响所加工零件的精度。
随着现代设计方法的广泛运用，对机床进行动态特性分析，用动态设计取代静态设计已成为机床设计发展的必然趋势。
在设计中，仅对机床部件进行动态分析无法全面反映机床的整体性能。
因此，要对机床性能进行准确的预测，必须对机床整机进行动力学分析。
伴随着计算机计算速度的飞速提升，有限元分析成为分析计算复杂结构的一种极为有效的数值计算方法，为机床整机的振动模态理论分析提供了有力的工具。
本文利用SAMCEF动力学仿真平台和模态实验相结合的方式，对机床进行有限元计算和模态实验分析，为新产品研发设计提供了参考。
一、模态分析的基本理论振动现象是机械结构经常需要面对的问题之一。
由于振动会造成结构的共振或疲劳，从而破坏结构，所以必须通过模态分析了解模型的各阶固有频率和振型，避免在实际工况中因共振因素造成结构的损坏。
模态分析可以用来确定模型或结构的振动特性，对复杂结构进行精确的模态分析，将为评价现有结构的动态特性，诊断及预报结构系统的故障，新产品动态性能的预估及优化设计提供科学的依据。
三、机床模态实验本次试验是与LMS公司中国区技术支持工程师共同合作完成，针对VMC0540d立式加工中心进行模态实验，确定该机床的结构动力学参数，如图4所示。
同时，此次试验采用了LMS提供的测试设备及相应的分析软件：LMS SC310前端、PCB 333B30单向加速度计、激振器及功率放大器（3台）以及LMS Test Lab 9B模态测试分析软件等。
有限元分析在机械结构中的应用研究有限元分析（Finite Element Analysis，简称FEA）是一种通过分割连续物体为有限个离散的元素，然后在每个元素上进行数值计算的方法。
这种方法被广泛应用于机械结构的研究与分析中。
本文将探讨有限元分析在机械结构中的应用研究，并分析其重要性和优点。
首先，有限元分析在机械结构研究中的应用是非常重要的。
机械结构通常由复杂的几何形状和材料组成，分析其力学行为是一项复杂的任务。
有限元分析可以将机械结构离散为多个小元素，通过在每个元素上进行力学计算，得到整个结构的应力和应变分布。
这种方法可以更好地研究和理解机械结构的力学行为，为结构设计和优化提供依据。
其次，有限元分析在机械结构中的应用具有许多优点。
首先，有限元分析可以对复杂的几何形状进行建模，例如曲线、曲面和非均匀结构等。
这使得研究人员能够更加准确地描述和分析机械结构的力学行为。
其次，有限元分析可以考虑不同材料的力学性能差异，例如弹性模量、屈服强度和断裂韧性等。
研究人员可以根据实际材料的性能参数进行模拟分析，更加真实地反映机械结构的实际工作状态。
此外，有限元分析还可以考虑不同载荷情况下的响应，例如静态载荷、动态载荷和热载荷等。
这使得研究人员能够全面地研究机械结构在各种工作条件下的力学性能。
然而，有限元分析在机械结构研究中也存在一些挑战和限制。
首先，建立准确的有限元模型是一项关键的任务。
模型的准确性和可靠性将直接影响结果的准确性和可信度。
其次，有限元分析需要进行大量的数值计算，消耗大量的计算资源和时间。
对于复杂的机械结构，计算时间往往非常长，这对于工程实践来说是不可接受的。
此外，有限元分析还需要大量的人力和物力投入。
这包括建立模型、进行计算和分析结果等。
为了克服这些挑战和限制，研究人员进行了许多改进和优化。
例如，引入自适应网格技术可以提高模型的准确性。
这种技术可以根据应力和应变的分布情况，自动调整网格的密度和形状，从而更好地描述结构的力学行为。
有限元分析在机床结构优化设计中的应用有限元分析(Finite Element Analysis)是一种利用计算机模拟物理系统的工程分析方法，能够预测结构在各种外载荷下的响应情况。
在机床结构优化设计中，有限元分析是非常重要的工具。
一、机床结构优化设计的意义机床是制造业的重要设备之一，但是机床的制造成本、维护成本、能耗成本都比较高。
为了提高机床的性能和降低成本，需要进行结构设计的优化。
优化设计既可以提高机床的工作精度，优化结构，还能够减少机床重量，降低能耗成本。
二、有限元分析的基本原理有限元分析是一种模拟物理系统的方法，它可以通过将大的结构划分成小的单元，并建立数学模型来计算结构在各种外载荷下的响应情况。
基本原理如下：1、建立模型：将结构划分成小的单元，并建立数学模型。
2、施加载荷：将结构施加各种外载荷，例如重力、压力、加速度等。
3、求解模型：利用计算机数值方法求解结构在各种外载荷下的响应情况。
4、分析结果：通过分析求解结果，评估结构的性能、强度、刚度等方面。
5、优化设计：根据分析结果，对结构进行优化设计。
三、有限元分析在机床结构优化设计中的应用有限元分析可以应用于机床结构的优化设计，主要包括以下几个方面。
1、材料的选择在机床结构中，材料的选择非常重要，因为不同材料的性质不同，会影响机床的工作精度和性能。
利用有限元分析可以预测机床在各种外载荷下的响应情况，并确定材料的合适选择。
2、优化结构设计机床结构非常复杂，因此在设计过程中可能存在缺陷或者弱点。
有限元分析可以帮助设计者预测和评估机床结构在各种载荷下的响应情况，并帮助设计者确定如何优化结构设计。
3、优化布局方案机床的各种部件需要进行合理的布局，以确保机床的工作精度和性能。
有限元分析可以模拟机床在各种外载荷下的响应情况，帮助设计者确定合适的布局方案。
4、降低材料成本机床的材料成本非常高。
有限元分析可以帮助设计者确定机床结构所需的材料数量，从而降低机床的材料成本。
大型数控车床床身结构的有限元分析数控车床是一种高精度、高速、高自动化的机械设备。
其关键部分是床身结构，在高精度切削加工过程中承担着不小的负荷，因此对于其结构的优化设计至关重要。
本文将通过有限元分析对数控车床床身结构的强度和刚度进行优化设计。
一、有限元分析的基本概念有限元分析是求解强度、振动、热力学等问题的一种重要方法。
有限元方法将一个复杂的结构分割成有限个单元，每个单元可以看作是一个简单的结构，可以通过计算单元内各个点的力和位移，得到整个结构的力和位移的分布情况。
在有限元分析中，要首先进行预处理，包括建模、离散化和求解算法的选择等步骤。
然后进行求解过程，通过解出各个单元的刚度矩阵和外载荷矩阵，再根据边界条件组成总刚度矩阵和外载荷矩阵，最终求解结构中各点的位移和应力等参数。
最后进行后处理，对计算结果进行分析和优化。
二、建立数控车床床身的有限元模型在进行有限元分析之前，需要建立数控车床床身的有限元模型。
床身结构可以分为两部分：主床身和副床身。
主床身是床身的主要承载部分，唯一支撑和固定主轴箱和刀架；副床身是连接两端的连接体，起连接两端床身和承受工件切削力的作用。
我们分别对主床身和副床身进行静力学分析，求解其强度和刚度。
三、床身结构的静力学分析床身结构主要受到外部力荷载和自重荷载的作用。
基本的受力情况如下：1. 主轴箱在切削时产生的切向力和径向力。
2. 刀架的重量产生的自重荷载。
3. 工件在切削时产生的切向力和径向力。
由于车床的高速旋转的特殊性，其受力情况十分复杂，难以通过简单的解析法求解，因此需要运用有限元分析的方法。
四、床身结构的优化设计基于前面的有限元分析结果，我们可以得到数控车床床身的强度和刚度情况。
若发现床身结构在受到切削载荷时强度不足或刚度不够，我们可以对床身结构进行优化设计，包括优化结构形状，材料选型等方式。
例如，我们可以通过增加床身的内部加强支撑件、合理改变断面的形状、优化床身连接部位的刚性等方式，提高其整体刚度和强度。
基于有限元方法的机械系统建模与仿真在现代机械工程领域，为了更有效地设计、分析和优化机械系统，基于有限元方法的建模与仿真技术发挥着至关重要的作用。
有限元方法作为一种强大的数值分析工具，能够帮助工程师在产品开发的早期阶段就对其性能进行准确预测，从而减少试验次数、缩短研发周期、降低成本并提高产品质量。
有限元方法的基本原理是将一个复杂的连续体离散化为有限个单元的组合。
这些单元通过节点相互连接，每个单元具有特定的形状和特性。
通过对每个单元进行力学分析，并利用节点处的平衡条件和协调条件，建立起整个系统的代数方程组。
求解这些方程组，就可以得到系统在给定载荷和边界条件下的响应，如位移、应力、应变等。
在机械系统建模中，首先需要对实际的物理系统进行合理的简化和抽象。
这包括确定系统的几何形状、材料特性、载荷条件和边界约束等。
例如，对于一个汽车发动机的曲轴连杆机构，需要考虑各个零部件的几何尺寸、材料的强度和刚度、燃烧压力和惯性力等载荷，以及各个部件之间的连接方式和约束条件。
几何建模是有限元分析的第一步。
通过使用专业的 CAD 软件或有限元前处理工具，可以创建机械系统的三维几何模型。
在建模过程中，需要根据分析的目的和精度要求，对几何形状进行适当的简化和近似。
例如，对于一些小的倒角、圆孔等细节，如果对分析结果影响不大，可以忽略不计，以减少计算量。
材料特性的定义也是建模中的关键环节。
不同的材料具有不同的力学性能，如弹性模量、泊松比、屈服强度等。
这些参数需要根据实际使用的材料通过实验测试或查阅相关的材料手册来获取。
对于一些复杂的材料行为，如非线性弹性、塑性、粘弹性等，还需要选择合适的本构模型来描述其力学特性。
载荷和边界条件的施加直接影响着分析结果的准确性。
载荷可以是集中力、分布力、压力、温度等。
边界条件则包括固定约束、滑动约束、对称约束等。
在施加载荷和边界条件时，需要充分考虑实际工作情况，确保模型能够真实反映机械系统的受力状态。
；露疆≈脚V A L LE工有限元分析计算在重型立式车床制造中的应用郑亚军(黑龙江齐重数控装备股份有限公司黑龙江齐齐哈尔161005)应用科学[摘要]用有限元分析方法计算立式车床大件的刚度和受力状态及刚度匹配问题，应用这种计算和分析方法，对重型立式车床的方案确定、优化设计以及制造过程发挥重要作用。
[关键词】大件有限元建模分析中图分类号：T H一3文献标识码：^文章编号：1871--7587(2008)0520097--01我公司自主研制的12．5米单柱立式车床，是目前国内同类重大型立式车床中加工直径和承重最大的，设计制造难度很大。
由于制造能力的限制，主体件不能设计过大，尤其是横梁和立柱两个大部件，按以往的结构设计不能满足生产要求。
因此，在对该车床进行工作图设计之前必须进行有限元分析计算，以寻求既能满足机床精度要求又能适应生产能力的最佳结构设计方案。
机床结构布局如图1所示，由横梁、滑枕、立柱、立柱托板、立柱基座、工作台、工作台基座等八年大部件组成。
一、计算状态爰计算方案(一)计算状态1．各大部件的自身刚度计算主要用于在相同的受力状态和计算条件下，比较由于结构的改变而产生的不同效果，即大部件的不同结构方案在各自受力方向上的刚度。
2．承受最大节削力时的各大部件变形折算至刀尖位移的计算，主要用来模拟和考核机床在粗加工承受最大切削力时的机床加工精度性能，受力条件和状态参照前苏联整机立车刚度标准(R oot44—85)的规定。
3．不计切削力时的各大部件变形折算至刀尖位移的计算，主要用来模拟和考核机床在精加工和机床精度检验时的机床精度性能，计算状态同1．1．2．q不计算切削力，各大部件仅受自身重量作用。
(二)计算方法根据前述的计算结果，按刀架在横梁上的4个位置，横梁在立柱上的3个位置，立柱在立柱基座上的3人位置等，分别进行受力分析和计算，共计18种工况。
=、计算模翌的建立对各大部件的有限元计算，采用了矩形板单元、三角形板单元和粱单元等进行单元划分。
基于实验分析的机床结构有限元建模及其应用研究*STUDY OF FE M M ODELI NG AND APPL I CATI ON BASED ON EXPER I M ENTAL ANALYSIS I N STRUCTURE OF MACH I NE TOOL辛志杰**1,2徐燕申1郭志全1,3满佳1林汉元4(1.天津大学机械学院,天津300072)(2.中北大学机械学院,太原030051)(3.天津科技大学机械学院,天津300222)(4.天津第一机床总厂,天津300180)XI N Zhi J i e1,2XU YanShen1GUO ZhQ i uan1,3MAN Ji a1LI N HanYuan4(1.C ollege o f M echan ical Eng i n eering,Tianjin Universit y,T ianjin300072,China)(2.C ollege o f M echanical Eng ineering,N ort h Universit y of China,Taiyuan030051,China)(3.Colle g e of M echanicalE ng ineering,T ianjin University of Science&Technology,T ianjin300222,China)(4.T ianji n N o.1M achineT oolW orks China,T ianjin300180,China)摘要针对一台数控弧齿锥齿轮铣齿机,进行机床整机的有限元动态和静态分析,测量机床静刚度,进行模态实验测试及分析。
结合有限元模态分析结果,依据重要的实验模态和机床静刚度修正导轨结合部有限元模型参数。
对机床整机结构进行改进,通过有限元分析计算,改进后整机结构动、静刚度明显提高。
为确定机床导轨结合部模型参数提供一种研究思路与方法。
关键词机床导轨结合部模型参数结构改造中图分类号TG502TH122Abstrac t A nalysis o f dynam ic and static fi nite e l em ent is taken concern i ng on a nu m er i ca l contro l tape r gear m ach i ne too.l M easure m ent of sta tic rig i d i ty and test analysis o fm oda l expe ri m en t is done.Consu lti ng result o f fi nite e l ement ana l ys i s and based on i m portant test m ode and sta ti c r i g i d it y,m odificati on o f para m eters w ith regard to gui deway j o i nt a l ong w it h i m prov e m ent on structure o f the m ach i ne too l i s made.Dyna m i c and static r i g i d ity o f t he m ach i ne t oo l is enhanced obv i ousl y by i m prov e m ent of structure.A study w ay and m ethod for deter m i n i ng fi n ite e l e m ent modeli ng pa ra m e ter in gu i de w ay j o i nt of m ach i ne too l are pro-v i ded.K ey word s M ach i n e too;l G u i d e w ay jo i n t;M ode ling para m e ter;S tructu re recon stru ctionCorres p onding author:X I N Zh i J ie,E-ma il:hbgxy-x zj@163.co m,T el:+86-22-27406267M anuscri pt rece i v ed20060123.1引言随着机械制造业的发展,对机床静态特性与动态特性的要求越来越高,然而在动态特性分析中,对于机床整机而言,由于结合部参数等诸多因素的影响,要想直接依据图纸资料建立一个能准确反映结构动态特性的有限元模型是比较困难的[1]。
仅对个别零件进行分析,无法全面、准确地反映机床整机的特性,各零部件之间接触参数直接影响整机动态特性的解析计算准确度。
对于机床结合部的建模,目前的研究多采用通过定义刚度和阻尼矩阵单元来处理结合部接触问题,通过对模型单元取不同的刚度及阻尼值,描述任意两节点之间的各种连接情况[2~4]。
该方法要求事先通过实验分析确定出结合单元的刚度及阻尼值。
本文以一台YH603G型数控弧齿锥齿轮铣齿机为例,通过实验分析与理论建模相结合确定导轨结合部有限元模型参数,为进行机床改进或进行类似结构机床的设计提供依据。
2机床整机的有限元动态和静态分析YH603G型数控弧齿锥齿轮铣齿机总体结构包括床身、横滑板、立柱、刀具箱、工件箱以及床鞍六大部分。
在建立模型时,由于床身、立柱、刀具箱以箱型结构为主,采用ANSYS中的空间弹性板壳单元she ll63描述,滑板、工件箱及床鞍采用实体单元so li d92进行描述,考虑到在建立模型时尽量与实际结构相符合,对于局部结构(包括主电机、液压缸、伺服进给电机等),根据其重量大小通过计算按相应实体单元建立模型。
Journal of M echanical Strengt h2006,28(S):05~08* **20060123收到初稿。
辛志杰,男,1966年11月生,河南商丘人,汉族。
副教授,博士研究生,研究方向为切削动力学、超声加工等。
对于对全局结果起重要影响的导轨结合部(滑块、轨道),初步根据滑块与轨道接触的横截面尺寸大小60mm @60mm 采用实体接触单元建模,结合部实体高度为45mm,在模型的修正分析中保持不变,图1为机床整机有限元(finite e le m entm ethod ,FE M )模型。
图1 整机有限元模型Fi g .1 FE M model ofm ac h i n e tool在建立模型时,可以选用通用CAD (co mpu ter a i d desi g n)软件如so li d w ork 等进行建模,通过一定的方法导入到ANSYS 软件中进行网格划分及施加边界条件。
按照机床与地面固连的实际位置即床身底面四个角边处通过垫铁与地基相连,在有限元模型的相应位置对节点进行全约束。
用ANSYS 软件对模型进行模态分析,得到前四阶模态频率及振型,如表1所示。
表1 模态频率及振型Tab .1 M oda l frequency and mode模态阶次M odal number模态频率M odal frequency /H z振型描述Descri p tion ofm ode 175整机绕Z 轴摆动,立柱振型明显295整机绕X 轴弯曲,立柱与工件箱呈相对于M 切面作相对摆动3136立柱、工具箱分别绕Z 轴呈相反方向扭振,床身以M 平面为节面作相对扭振4161类似前一阶振型按切削力的大小在刀具箱与工件箱端面分别施加载荷。
主切削力大小为220kg ,对于刀具箱三个方向受力分别为F x =2000N 、F y =1300N 、F z =1100N (见图2),工件箱受大小相等、方向相反的作用力。
通过静态计算,得到在模拟切削力作用下刀具与工件主轴端面轴向相对静变形量为17.4L m。
图2 整机结构受力示意图Fig .2 Sketch m ap of force on s truct ure of t he m ac h ine tool3 机床结构的实验分析3.1 机床静刚度的测量机床静刚度反映机床在静态力作用下抵抗变形的能力,直接影响机床的动态特性,是机床总体性能的重要体现。
根据该机床结构及数控进给的特点,对机床静刚度进行测量,图3为静刚度测量示意图。
具体方法是,在刀具箱及工件箱主轴端面安放八角环测力仪,同时在刀具箱及工件箱端面安放一个千分表,测量二者之间的位移变化量。
通过数控进给对测力系统进行加力,数控进给量可由数控面板显示。
图3 静刚度测试示意图F i g .3Test of st ati c ri gi d it y通过测量,整机的静刚度为5.31kg /L m 。
如果在刀具与工件主轴端面间施加F y =1300N 的切削力,由机床的静刚度可知两者相对变形量为24.48L m 。
3.2 机床结构模态实验采用锤击法一点激励、多点拾振的方法进行实验测量[5],根据机床的外形和特点,选择在刀具主轴箱一点进行脉冲锤击激励,在机床部件的多点上测量振动。
敲击实验之前,参考用解析法计算的模态频率和振型,以了解模态频率分布范围、模态密集程度、各阶振型形态,为模态实验中激励方式、测点布置提供依据。
在每个测点的三个方向上分别安装K istler 压电式加速度传感器拾振,激励和响应信号经电荷放大器、数据采集输入计算机,用ME .Scope Ves4.0模态分析06机 械 强 度2006年软件进行分析。
实验测出低阶固有频率和其振型如表2所示,其中第二、第三阶次的模态频率83.2H z 和125H z 同实验测定的该机床刀具与工件间频率响应曲线峰值80H z 和121H z 非常接近。
结合机床结构并通过各阶振型分析,得出这两阶频率是机床结构的薄弱模态频率,即优势模态频率。
图4、5为二阶、三阶的实验模态振型图。
表2 实验模态结果Tab .2 Res u lts of m oda l s experi m ent模态阶次M odal number模态频率M odal frequency /H z振型描述Descri p tion ofm ode 143.2整机绕Z 轴扭摆283.2整机绕X 轴弯曲,立柱与工件箱呈相对于M 切面作相对摆动3125立柱、工具箱分别绕Z 轴呈相反方向扭振,床身以M 平面为节面作相对扭振4158类似前一阶振型,但立柱、滑板的振动呈现沿导轨滑移的振动图4 二阶83.2H z 振动型图F i g .4 V i b ration of second mode w i th frequ ency of 83.2H z4 导轨结合部有限元模型的修正通过实验模态分析结果(见表2)与解析计算结果(见表1)分析比较可知,二者主振型振动形态相符合,但频率数值的大小有一定的误差,其原因在于有限元建模时采用的导轨结合部模型参数与实际情况存在误差。
