GTM500200車銑加工中心滑枕關(guān)鍵部件及功能的有限元分析
4滑枕關(guān)鍵部件及功能的有限元分析4.1有限元分析技術(shù)4.1.1有限元技術(shù)有限元法是在結(jié)構(gòu)分析的矩陣位移法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。“有限單元”(Finite element Analysis-FEA&FEM)是由Clough首次提出的(1960)。有限元方法是處理連續(xù)介質(zhì) 問題的一種普遍方法，離散化是有限元方法的基礎(chǔ)。有限元方法是擺脫了各種各樣的工 程背景而成為一種具有普遍意義的數(shù)學(xué)方法。有限元方法是將一個(gè)連續(xù)體有無(wú)限多個(gè)自由度（屬于無(wú)限維空間），轉(zhuǎn)化成一個(gè)有 限自由度（屬于有限維空間），建立有限元方程，求其近似解。建立有限元方程大體有 三類方法：直接法：結(jié)構(gòu)力學(xué)引申過來(lái)。變分法：有限元方法最常用的一種形式。加權(quán) 殘值法：非線性，伽遼金(Galeridn)法（即，選形函數(shù)為權(quán)函數(shù)的加權(quán)殘值法）屬于這一 類。有限元一般分析過程：先將求解域離散為有限個(gè)單元，單元與單元只在節(jié)點(diǎn)相互連接；…-即原始連續(xù)求 解域用有限個(gè)單元的集合近似代替。對(duì)每個(gè)單元選擇一個(gè)簡(jiǎn)單的場(chǎng)函數(shù)近似表示真實(shí)場(chǎng)函數(shù)在其上的分布規(guī)律，該簡(jiǎn)單 函數(shù)可由單元節(jié)點(diǎn)上物理量來(lái)表示…-通常稱為插值函數(shù)或位移函數(shù)。基于問題的基本方程，建立單元節(jié)點(diǎn)的平衡方程（即單元?jiǎng)偠确匠蹋＝柚诰仃嚤硎荆阉袉卧膭偠确匠探M合成整體的剛度方程，這是一組以節(jié)點(diǎn) 物理量為未知量的線性方程組，引入邊界條件求解該方程組即可。4.1.2 有限元分析軟件 Sol idWorks® SimulationSolidWorks® Simulation是一個(gè)與SolidWorks®完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)。 SolidWorks Simulation提供了單一屏幕解決方案來(lái)進(jìn)行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、 熱分析和優(yōu)化分析。SolidWorks Simulation憑借著快速解算器的強(qiáng)有力支持，使得您能 夠使用個(gè)人計(jì)算機(jī)快速解決大型問題。SolidWorks Simulation提供了多種捆綁包，可滿足您的分析需要。SolidWorks Simulation節(jié)省了搜索******設(shè)計(jì)所需的時(shí)間和精力，可大大縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。-64 -大連理工大學(xué)專業(yè)學(xué)位碩士學(xué)位論文該軟件采用了有限元方法（FEM)。FEM是一種用于分析工程設(shè)計(jì)的數(shù)字方法。 FEM由于其通用性和適合使用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此已被公認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)的分析方法。FEM 將模型劃分為許多稱作單元的簡(jiǎn)單小塊形狀，從而有效地用許多需要同時(shí)解決的小問題 來(lái)替代一個(gè)復(fù)雜問題。4.2滑枕體的有限元分析4.2.1建立滑枕體的三維模型運(yùn)用有限元分析方法的最終目標(biāo)是要仿真出一個(gè)實(shí)際工程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)行為特征，因 此必須建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)三維模型來(lái)仿真實(shí)際的物理原型。但是，由于龍門移動(dòng)式車銑加 工中心的滑枕體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，內(nèi)部管道及安裝孔等細(xì)小結(jié)構(gòu)較多，由于復(fù)雜的零件三 維模型直接導(dǎo)入，會(huì)導(dǎo)致軟件模型無(wú)法生成的問題，因此需對(duì)龍門移動(dòng)式車銑加工中心 的滑枕體模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化和修改，優(yōu)化的基本原則可以參考以下幾點(diǎn)原則：(1)在建模時(shí)力求準(zhǔn)確，以便真實(shí)反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)特性；(2)忽略數(shù)學(xué)模型中所有小特征，包括倒角、圓角、小孔及凸臺(tái)等細(xì)微且不重要結(jié)構(gòu)；(3)對(duì)數(shù)學(xué)模型中的小錐度、小曲率曲面進(jìn)行直線化和平面化等處理；(4)不考慮或忽略對(duì)整體靜、動(dòng)態(tài)特性影響小的零部件結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)化后的數(shù)學(xué)三維模型如圖4.1所示，將優(yōu)化過的三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件 SolidWorks Simulation中，建立滑枕體的有限元模型。結(jié) 論本文GTM500200龍門移動(dòng)式車銑加工中心的滑枕 部分的一些關(guān)鍵的技術(shù)問題展開研究及分析，并對(duì)機(jī)床的滑枕體做了有限元分析比較， 使得機(jī)床關(guān)鍵受力構(gòu)件得以改進(jìn)，集成了滑枕的接口技術(shù)，提升了機(jī)床與各種特殊功能 的附件頭的適用性，提高了機(jī)床的使用效率。適用于風(fēng)電能源、軍工、重型機(jī)械、鐵路 及交通、航空航天、船舶等行業(yè)。主要完成了以下工作：(1)根據(jù)設(shè)計(jì)方案及參數(shù)要求，設(shè)計(jì)了一套滑枕主軸箱。對(duì)滑枕內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化， 采用了內(nèi)裝電主軸，節(jié)省了安裝控間；采用無(wú)螺紋及鍵連接的分段式主軸，便于實(shí)現(xiàn)動(dòng) 平衡、加工及安裝；分析并比較了滑枕體的形式和材料。(2)集成并優(yōu)化了各種多功能附件頭所需的滑枕的對(duì)接接口。使滑枕對(duì)接接口能 提供內(nèi)、外冷卻液供給，附件頭外加動(dòng)力電源供給，附件頭位置傳感器監(jiān)控對(duì)接，附件 頭冷卻水循環(huán)接口等。為拓展機(jī)床的功能提供了基礎(chǔ)。(3)優(yōu)化了滑枕體熱伸長(zhǎng)變形問題，提出了兩種解決方案，降低了由于滑枕熱伸 長(zhǎng)導(dǎo)致的加工誤差過大，從而提髙加工精度。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到生產(chǎn)成本及技術(shù)問 題，傾向于采用殷瓦合金方案。(4)計(jì)算了滑枕體運(yùn)動(dòng)的Z軸靜壓腔的受力面積，得出靜壓工作所需的各項(xiàng)參數(shù)。 分析了滑枕導(dǎo)軌油腔壓力、流量、剛度之間的關(guān)系(5)應(yīng)用有限元方法，分析了滑枕體的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性，以此檢驗(yàn)并優(yōu)化了滑枕 體的設(shè)計(jì)。隨著國(guó)內(nèi)風(fēng)電、核電工業(yè)以及船舶制造、航空、航天等關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重點(diǎn)行業(yè)對(duì) 各種精度高、工藝多、形狀復(fù)雜的大型盤類零件的加工要求，大型龍門移動(dòng)式車銑加工中 心將迎來(lái)更加廣闊的市場(chǎng)前景。為此我們采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)客戶要求，提供不同的 配置，例如：只保留滑枕體及少量的附件頭對(duì)接接口功能，僅提供車削功能就可應(yīng)用在 重型立式車床上。并且根據(jù)不同的附件頭可將一些加工原理和工藝相近的工序集中到一 臺(tái)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)，這種高效的加工方式已經(jīng)得到公認(rèn)，是未來(lái)機(jī)床發(fā)展的方向。這也使這 套滑枕的方案及設(shè)計(jì)思路可以應(yīng)用到更多的案例中。