原橫梁靜態(tài)模態(tài)分析
對于橫梁等大型零部件，其內(nèi)部的筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計得是否合理，關(guān)系著橫梁系統(tǒng),甚至整個加工中心系統(tǒng)的加工性能。動梁龍門加工中心的橫梁作為運動與支承部件，其靜動態(tài)性能對加工中心加工精度影響重大，因此,針對橫梁內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化。如圖3所示，為原橫梁結(jié)構(gòu)圖，其中橫梁內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)為“米”型，筋板厚度為30 mm〇因為滑座組件(包括滑座、主軸箱、滑枕等在橫梁上移動的行程范圍僅為圖中所示的L區(qū)域，因此在對橫梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計過程中僅對橫梁L區(qū)域段的筋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。為提高有限元仿真分析的效率與準(zhǔn)確性,分析時，僅
將橫梁導(dǎo)入分析軟件，此夕卜,去除橫梁模型上不必要的孔和細(xì)小零件「-101,其中橫梁材料屬性設(shè)置為：密度7250kg/m3,彈性模量120GPa,泊松比
0. 27,環(huán)境溫度22^;網(wǎng)格劃分時設(shè)置相關(guān)度為100%,網(wǎng)格大小0.05 m。如圖4所示，將滑座組件的重力對橫梁的作用效果等效為對應(yīng)上下導(dǎo)軌面的正壓力廠2和尸3,將滑座組件重力對橫梁的扭轉(zhuǎn)作用等效為上導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)面和下導(dǎo)軌外側(cè)面的力^和盡，將滾珠絲杠對橫梁的托舉力2&作用等效為對應(yīng)面的固定約束，將橫梁后側(cè)液壓夾緊裝置的作用效果等效為對應(yīng)面的固定約束。
將橫梁三維模型導(dǎo)入ANSYS中，仿真分析橫梁在非工作狀態(tài)下的靜動態(tài)特性，如圖5所示為原橫梁有限元分析最大變形云圖和最大應(yīng)力云圖，其中最大變形量為
36.109 |jLm,位置在橫梁中間部位，最大應(yīng)力為4.4558 MPa。雖然以上兩指標(biāo)均可滿足出廠設(shè)計要求，但是最大變形量仍然有提高的空間。此外，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料HT300的許用應(yīng)力，因此，在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計中可將最大應(yīng)力作為次要評估指標(biāo)。
對橫梁進(jìn)行模態(tài)分析,分析結(jié)果如圖6所示，其中一階固有頻率為138.68 Hz,然而外在的激振頻率為〇~1〇〇 Hz,因此該橫梁不會發(fā)生共振現(xiàn)象，所以，在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計中可將一階固有頻率做為次要評估指標(biāo)。其中原橫梁一階固有頻率振型為沿Z軸平動，說明橫梁在受到外載荷G骨板組件及切削力）作用下，當(dāng)激振頻率與固有頻率相近時，發(fā)生共振，且易發(fā)生沿Z軸方向的傾斜翻轉(zhuǎn),從而損壞橫梁及其它部件的結(jié)構(gòu)，因此，實際生產(chǎn)過程中應(yīng)該避免加工中心處于激振頻率較高的環(huán)境中或遠(yuǎn)離振動頻率較高的機械設(shè)備。
3橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化
3. i橫梁筋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
橫梁筋板結(jié)構(gòu)對橫梁的靜動態(tài)特性均有很大的影響，文中對橫梁的筋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，在筋板厚度不變的情況下,即筋板厚度為30 mm。將筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計成如圖7所示結(jié)構(gòu)，即“十”型結(jié)構(gòu)。
3.2橫梁支撐筋板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
由圖5的橫梁靜力學(xué)分析云圖可知，橫梁上導(dǎo)軌變形
最大，且最大變形位置在橫梁上導(dǎo)軌中間部位，上導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)類似于懸臂梁結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最大的缺點是底部彎矩大，易發(fā)生較大的扭轉(zhuǎn)變形，而針對這樣的結(jié)構(gòu)，簡單有效的方法是在懸臂梁的下端部增加加強筋板。結(jié)合橫梁自身結(jié)構(gòu)特點,為降低其最大形變量，將橫梁上導(dǎo)軌下側(cè)的支
撐筋板傾斜設(shè)計，如圖8所示，優(yōu)化前橫梁上導(dǎo)軌下側(cè)支撐筋板水平設(shè)計沒0°),優(yōu)化后將其傾斜55。設(shè)計，即 0=55。。
4優(yōu)化結(jié)果對優(yōu)化后
的橫梁進(jìn)行有限元仿真分析，并對優(yōu)化前后的各項性能進(jìn)行比較，結(jié)合1、2節(jié)的分析，以最大變形量、質(zhì)量作為主要評估指標(biāo)，以一階固有頻率和最大應(yīng)力作為次要評估指標(biāo)，對優(yōu)化后的橫梁進(jìn)行評估比較。如圖9所示,為優(yōu)化后橫梁的有限元分析云圖。
如表1所示為優(yōu)化后橫梁的前4階固有頻率及振型。
優(yōu)化前后主要參數(shù)對比如表2所示。其中優(yōu)化后橫梁質(zhì)量減輕最明顯，減輕了499kg,最大變形量減少了7.84%,雖然一階固有頻率有稍微的減少,但是其值任然遠(yuǎn)大于激振頻率,最大應(yīng)力雖然增加了0.15 MPa,但是其值遠(yuǎn)小于材料HT300的許用應(yīng)力；此外,橫梁的X、F、2向的形變量均有不同程度的減少,其中;f向橫梁形變減少最大,減少了16.99%。綜合以上分析說明優(yōu)化后橫梁上導(dǎo)軌面的扭轉(zhuǎn)變形明顯減少，剛性增加，橫梁的靜動態(tài)性能得到提高，優(yōu)化設(shè)計的方法與角度是合理可行的。
表2優(yōu)化前后主要參數(shù)對比
參數(shù)
優(yōu)化前
優(yōu)化后
變化量
筋板結(jié)構(gòu)
“井，，字形
“十，，字形
—
筋板厚度/mm
30
一
支撐筋板傾斜角度/ (。）
90
55
-35
總位移/|jLm
36.11
33.28
-7.84%
質(zhì)量/kg
13 585
13 086
-499
—階固有頻率/Hz
138.68
137.56
-1.12
應(yīng)力/MPa
4.46
4.61
+0.15
尤向形變/|xm
3.59
2.98
-16.99%
F向形變/(Jim
26.81
24.74
-7.72%
Z向形變
24.37
22.27
-8.62%
對橫梁進(jìn)行建模和有限元分析，并對橫梁的內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)和橫梁薄弱環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化，優(yōu)化后在橫梁最大應(yīng)力與一階固有頻率基本不變的情況下，橫梁質(zhì)量減少了499 kg,最大變形量減少了7.84%,取得良好輕量化效果，為加工中心零部件的設(shè)計提供了方法參考。
文中雖然對橫梁的筋板結(jié)構(gòu)和橫梁上導(dǎo)軌支撐筋板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,使橫梁的性能得到有效提高，在以后的研究中，如果將橫梁的筋板厚度、橫梁箱體的壁厚以及橫梁的外形尺寸等作為優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)，并結(jié)合正交試驗法和靈敏度法將進(jìn)_步提高優(yōu)化設(shè)計的效率與參數(shù)選取的準(zhǔn)確性。
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