机床工作状态受力分析

ALGOR中国工程技术中心/北京英吉泰科工程技术公司【计算报告】1．分析目的根据宁夏大河机床厂的要求，用ALGOR软件对机床在工作状态下的受力状况进行了模拟，模拟了机床在运动件载荷以及自重载荷作用下的应力和变形，并以此验证ALGOR软件方便的CAD接口、有限元建模技术以及进行机械结构分析的有效性。2．分析内容此分析的主要内容包括：1．对机床结构进行CAD实体建模。2．机床结构有限元模型的生成。3．机床受力情况有限元分析。针对以上的分析内容，陕西北光信息科技有限公司用SolidEdge软件建立了机床CAD模型，北京英吉泰科工程技术有限公司利用ALGOR软件基于该CAD模型以及大河机床厂给定的载荷工况进行了有限元计算。3．CAD模型机床模型的基本数据为大河机床厂提供给陕西北光信息科技有限公司的AutoCAD设计图，北光公司基于设计图用三维CAD实体造型软件SolidEdge建立了机床的三维实体模型。如图1所示。机床工作状态受力分析ALGOR中国工程技术中心北京英吉泰科工程技术有限公司图1SolidEdge建立的机床CAD模型ALGOR--ALGOR--ALGOR中国工程技术中心/北京英吉泰科工程技术公司在建模中考虑了有限分析的要求，从不影响计算精度的原则出发，对一些局部的小特征（如非常细微的倒角，尺寸很小的凹槽等）进行了简化，这些小特征对计算没有什么意义，但如果存在却会极大地增加有限单元数量，导致计算规模的不必要增加。4．材料数据1、计算采用的单位制为：质量单位为：吨（T），长度单位为：毫米（mm），时间单位为：秒（s）。相应的导出单位为：力：牛顿（N），应力：兆帕（MPa）。2、材料参数：大河机床厂提供材料类型为灰铁300，北京英吉泰科工程技术有限公司据此查得材料参数。材料考虑线弹性材料，其材料参数如表1。表1.材料参数密度（kg/m3）弹性模量（MPa）泊松比78701.35e50.295．有限元模型的建立5.1.分析类型线性静力分析。5.2.模型建立有限元模型基于北光公司用SolidEdge建立的CAD实体模型生成，ALGOR与SolidEdge具有嵌入式的模型转换接口，所谓嵌入式指的是模型的转换无需通过中间文件进行，安装ALGOR后，SolidEdge界面中将出现ALGOR菜单选项，见图2。在SolidEdge中完成建模后，点击该选项就可以将模型直接转入ALGOR的分析界面，这样避免了模型信息的丢失，保证了模型转换的成功率。图2ALGOR与SolidEdge的嵌入式CAD接口ALGOR--ALGOR--ALGOR中国工程技术中心/北京英吉泰科工程技术公司分析界面的实体模型。图3导入ALGOR环境的CAD模型ALGOR自动生成有限元网格，ALGOR智能网格划分器提供了强大的网格功能，既可以全自动划分网格，也可以人为控制网格分布。ALGOR智能自动网格能力可以自动生成六面体主导的网格，从而得到高精度、高质量、高效率的有限元网格。在本例中，由于模型结构复杂，不少部位尺寸较小，具有较小的厚度或者特征，因此网格不能太粗，否则计算精度不能保证。在本例中，鉴于模型中的筋板厚度18mm，设定网格平均厚度为9mm，然后令程序自动划分网格，图4为所得到的网格分布，为美观的六面体主导网格，这是ALGOR的独特功能。ALGOR--ALGOR--ALGOR中国工程技术中心/北京英吉泰科工程技术公司自动生成的有限元网格最终模型规模：单元数：184575，节点数：121716自由度数达到了365000以上，模型规模较大，但ALGOR可以在普通微机上有效地完成如此规模的有限元计算。5.3.载荷、边界条件的确定与施加载荷、边界条件由大河机床厂提供，其约束条件为底部四个面垂直方向支撑，如图5所示。图5底面支撑情况相应地有限元模型在这四个面上施加垂直方向（Z向）的位移载荷。为了防止静力计算中其它方向的刚体位移，在X和Y方向的面上施加弱弹簧边界条件，弹簧刚度为0.001N/mm，这样的弹簧约束不会引起任何的计算误差但可以消除模型的奇异。载荷条件包括两部分：其一为机床自重，自重可以通过设定重力加速度方便地施加。其二为轨道面上的运动件传递的面载荷，轨道面如图6所示。轨道面上的运动件沿轨道方向长850mm，在轨道中心前后各400mm范图6轨道面位置ALGOR--ALGOR--ALGOR中国工程技术中心/北京英吉泰科工程技术公司围内做往复运动。运动件自重500kg，另外传递其它载荷500kg，总共1000kg的载荷被均匀分布在运动件与轨道面的接触面上，而该接触面是随运动件的往复运动而变化的。为了模拟运动件往复过程中机床的响应，采用了多工况计算，考虑了运动件运动过程中的多个位置进行计算，ALGOR的多工况定义和计算功能可以很好地完成此项任务。在本次计算中，运动件从一端开始，每隔100mm距离计算一个工况，共计9个工况。图7为第5个工况（载荷位于正中央）的载荷情况，各工况载荷及其移动情况参见动画文件“移动载荷动画.gif”。图7工况5（载荷位于正中）的载荷情况ALGOR可以自动完成所定义的任意多个工况的计算，而且可以在后处理中同时考察各个工况的计算结果，从而得到运动件运动过程中机床的受力情况。6．计算结果本计算模型较大，约365000自由度，并且计算9个载荷工况，但ALGOR提供了高效的求解器，并且支持并行计算，在配置为2GRAM,2GHz双CPU普通微机工作站上不到一个小时即可完成计算。6.1.变形情况图8、图9分别为工况1和5的总位移分布。全过程的位移和变形动画见动画ALGOR--ALGOR--ALGOR中国工程技术中心/北京英吉泰科工程技术公司文件“位移动画.gif”。注意图片中的变形被大比例放大以形象反映变形分布。图8工况1的总位移最终的等效应力分布见图3。图9工况5的总位移ALGOR--ALGOR--ALGOR中国工程技术中心/北京英吉泰科工程技术公司导轨端部一点的位移随工况变化曲线，图11为导轨中部一点的位移随工况变化曲线。图10导轨端部一点位移曲线图11导轨中部一点位移曲线ALGOR--ALGOR--ALGOR中国工程技术中心/北京英吉泰科工程技术公司从计算结果来看，模型中的最大位移不到0.004mm，是非常小的。可以得出结论，相对于机床的刚性而言，其重力和运动件的载荷是很小的，对其变形的影响微乎其微。6.2.应力情况图12、图13为工况1等效应力分布的上侧和下侧视图。图14、图15为工况5等效应力分布的上侧和下侧视图。全过程的等效应力变化情况参见动画文件“应力上侧视图动画.gif”和“应力下侧视图动画.gif”。图12工况1等效应力分布上侧视图ALGOR--ALGOR--ALGOR中国工程技术中心/北京英吉泰科工程技术公司中国工程技术中心/北京英吉泰科工程技术公司等效应力分布下侧视图从应力计算结果可以看出，机床的较大应力出现在上侧开孔部位以及下侧隔板与主体交接部位，这些部位在力学上属于应力集中部位。但应力很小，在所有工况下，机床的最大应力也不超过3MPa，远远小于材料的强度极限（对于灰铁300来说，其屈服强度在300MPa左右），这说明载荷相对于机床的承载能力来说是非常小的。机床具有非常大的安全裕量。7．总结本分析用ALGOR软件对机床在自重以及工作状态移动载荷作用下的受力情况进行了模拟，采用商业CAD软件SolidEdge建模，ALGOR嵌入式CAD接口导入CAD模型，并自动生成高精度六面体主导网格，定义多载荷移动工况，进行了计算，计算结果表明，载荷相对于机床的刚度和强度而言非常小，变形和应力很小，机床具有很大的安全系数。本计算说明了ALGOR软件的一些独特优势：1．方便的嵌入式CAD接口；2．强大、智能的六面体主导网格划分器；3．方便、直观、美观的界面和前后处理系统；4．丰富的模型处理、载荷定义工具；5．高效的求解器，硬件要求低。ALGOR--ALGOR--ALGOR中国工程技术中心/北京英吉泰科工程技术公司本分析为线性静力分析，仅仅涉及到了ALGOR很少量的分析功能，ALGOR提供了强大的多物理场分析功能，可以模拟各种复杂的线性、非线性，静力、动力，直至刚柔体机构运动仿真、热、流体、静电以及多场耦合现象，而且界面友好、易学易用，是一个具有高性价比、同时适用于设计人员以及专业分析人员的大型通用有限元分析软件。ALGOR中国工程技术中心地址：北京市海淀区中关村南大街2号数码大厦数码银座811室邮编：100086电话：[phone]传真：[phone]电邮：[e-mail]成都办事处：Tel：[phone]Fax：[phone]武汉办事处：Tel：[phone]Fax：[phone]ALGOR--ALGOR--