基于Pro/MECHANICA的機(jī)床拖板有限元模態(tài)分析

2013-06-27 by:廣州proe/creo培訓(xùn)中心來源:仿真在線

基于ProMECHANICA的機(jī)床拖板有限元模態(tài)分析

一、引言

機(jī)床支承件(如床身、立柱、拖板等)是機(jī)床的基礎(chǔ)部件,起著承受力和容納各種零部件作用。支承件的動(dòng)態(tài)性能直接影響到加工工件的精度和生產(chǎn)效率,所以要求設(shè)計(jì)出的機(jī)床支承件必須具有足夠的動(dòng)、靜態(tài)剛度。

長期以來,國內(nèi)外機(jī)床支承件一般采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),但為了保證機(jī)床具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能,并盡可能減輕其重量,就要進(jìn)行精密的理論計(jì)算。機(jī)床支承件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,至今尚未找到一種精確的方法來計(jì)算其動(dòng)態(tài)性能。但隨著計(jì)算技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,工程師可以依靠數(shù)值方法給出近似的、較令人滿意的答案。目前,在諸多方法中,用有限元建立機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力分析的數(shù)學(xué)模型已成為其理論建模中最重要的方法。盡管有限元法還屬于一種近似計(jì)算方法,對于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受力情況和阻尼情況復(fù)雜的支承件來說計(jì)算精度并不是很高,但它對于計(jì)算支承件動(dòng)態(tài)性能仍是一種最有效的方法。目前,用它來計(jì)算一般復(fù)雜程度的支承件的動(dòng)態(tài)性能,完全可以得到較為滿意的計(jì)算結(jié)果。

這里將利用美國PTC開發(fā)的有限元軟件,Pro/MECHANICA對機(jī)床支承件中的拖板進(jìn)行有限元分析,計(jì)算出該零件的固有頻率和振型,為分析拖板的表面振動(dòng)響應(yīng)作必要的準(zhǔn)備,也為機(jī)床拖板、床身、立柱等支承件的設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

二、當(dāng)前常用的有限元分析軟件及其特點(diǎn)

目前對機(jī)械零件進(jìn)行有限元分析一般采用通用有限元分析軟件,如ANSYS、MARC等。它們擁有豐富完善的單元庫、材料模型庫和求解器,并且具有相對獨(dú)立的前、后處理模塊,可以獨(dú)立完成多學(xué)科、多領(lǐng)域的工程分析問題。其缺點(diǎn)是前處理模塊中的幾何建模功能不強(qiáng),無法完成復(fù)雜模型的建模,因此降低了結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的可信度。一些流行的三維設(shè)計(jì)軟件卻具有極強(qiáng)的幾何模型的建模功能,如proeNGINEER、UG和CATIA等。這些三維設(shè)計(jì)軟件可以完成一些復(fù)雜的幾何模型的建模工作。為了克服通用有限元分析軟件建模功能較弱的缺點(diǎn),當(dāng)前普遍采用軟件間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,即采用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行精確的三維建模,通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口將模型以IGES、DXF或STEP格式讀入到通用有限元分析軟件中,然后通過該軟件進(jìn)行精確的計(jì)算。

在模型轉(zhuǎn)換過程中常常會出現(xiàn)一些問題,特別是將一些復(fù)雜模型轉(zhuǎn)換到有限元軟件后也會出現(xiàn)一些面和線的丟失、無法對模型中的一些特征進(jìn)行網(wǎng)格劃分等問題。所以在模型轉(zhuǎn)換后,要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力在有限元軟件中進(jìn)行幾何模型修補(bǔ)工作,這必然導(dǎo)致模型的不一致且增加了工作量。雖然一些有限元軟件開發(fā)出了完善的數(shù)據(jù)接口,可以精確地將CAD平臺上生成的絕大部分幾何模型導(dǎo)入到有限元軟件中,但是兩種軟件的同時(shí)使用對設(shè)計(jì)平臺的軟硬件提出了更高的要求,會大大增加一些中小企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

通過對各種有限元軟件的對比分析我們發(fā)現(xiàn),Pro/MECHANICA可以實(shí)現(xiàn)與proeNGINEER的完全無縫集成,該軟件可以直接利用proeNGINEER生成的幾何模型進(jìn)行有限元分析。由于proeNGINEER具有強(qiáng)大的參數(shù)化功能,那么在Pro/MECHANICA中就可以利用該優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行模型的靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體地說,當(dāng)模型的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí),求解出滿足一定設(shè)計(jì)指標(biāo)(如質(zhì)量最小、應(yīng)力最小等)的最佳幾何模型。

三、機(jī)床拖板有限元模型的建立和計(jì)算

1.建立幾何模型

這里分析的是一臺數(shù)控高速銑齒機(jī)床的X方向的拖板。該機(jī)床用于對大模數(shù)、大直徑齒輪的粗加工。由于該拖板結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,所以選用proeNGINEER軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模。

利用proeNGINEER軟件建立的機(jī)床拖板幾何模型,如圖1所示。

圖1 拖板的幾何模型

2.定義材料屬性

機(jī)床拖板是機(jī)床支承件中的重要部件,其在工作時(shí)承受工作臺和工件的巨大壓力,必須具有較高的強(qiáng)度,所以材料選為灰鑄鐵HT250。根據(jù)相關(guān)資料,HT250的質(zhì)量密度為7340;彈性模量為1.55e11;泊松比為0.27。

在菜單管理器【零件】中依次單擊【設(shè)置】→【材料】命令選項(xiàng),并在其中定義上述材料屬性。

3.定義約束

拖板在導(dǎo)軌上滑動(dòng),導(dǎo)軌約束了拖板Z方向的移動(dòng)和繞X、Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。絲杠座約束了拖板Y方向的平移,拖板和導(dǎo)軌之間的壓板限制了拖板X方向的平動(dòng)和繞Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。

在MEC STRUCT菜單中選擇Constraints→New→Surface,在系統(tǒng)彈出的定義對話框中定義以上的各個(gè)約束,如圖2所示。

圖2 在拖板上施加的約束

4.劃分網(wǎng)格

在MEC SRTUCT菜單中選擇MESH菜單選項(xiàng)進(jìn)行網(wǎng)格的定義和劃分,并對劃分網(wǎng)格的質(zhì)量進(jìn)行檢查,不符要求的網(wǎng)格將在有限元網(wǎng)格模型中以紅色顯示出來。拖板的有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 拖板有限元網(wǎng)格模型

5.建立分析任務(wù),進(jìn)行有限元計(jì)算

在MEC STRUCT菜單中選擇Analyses/Studies,在系統(tǒng)彈出的Analyses and Design Studies對話框中選擇File→New Modal...,彈出模態(tài)分析任務(wù)定義對話框,在此對話框中設(shè)定分析任務(wù)后進(jìn)行分析計(jì)算。

四、機(jī)床拖板有限元模態(tài)分析結(jié)果

對機(jī)床拖板有限元模型的求解,一般不需要求出振動(dòng)系統(tǒng)的全部固有頻率和振型,由于低階模態(tài)對振動(dòng)系統(tǒng)的影響較大,因此本文僅計(jì)算了前三階模態(tài)。同時(shí),為了驗(yàn)證有限元軟件Pro/MECHANICA用于機(jī)床零件模態(tài)計(jì)算的的正確性,本文另外采用了當(dāng)前流行的通用有限元分析軟件ANSYS對機(jī)床拖板進(jìn)行有限元模態(tài)計(jì)算,計(jì)算出前三階固有頻率和振型,并與Pro/MECHANICA的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。固有頻率的對比如表1所示,前三階振型圖對比如圖4所示。

a)proeNGINEER一階振型圖

b)ANSYS一階振型圖

c)proeNGINEER二階振型圖

d)ANSYS二階振型圖

e)proeNGINEER三階振型圖

f)ANSYS三階振型圖

圖4 拖板各階振型圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,該拖板在1200Hz以內(nèi)共有三階模態(tài)。第一階模態(tài)的振型為拖板兩側(cè)圍繞Y軸擺振,第二階模態(tài)的振型為拖板繞Z軸的不規(guī)則扭振,第三階模態(tài)的振型為拖板繞Y軸波浪形擺動(dòng)和拖板邊角的部分扭振。通過有限元模態(tài)計(jì)算得出機(jī)床拖板的危險(xiǎn)工作頻率在500~600Hz。

從計(jì)算結(jié)果可以看出,固有頻率都在500Hz以上,該機(jī)床拖板整體固有頻率較高,遠(yuǎn)離正常工作頻率,可知拖板的剛性比較好。拖板的絲杠座作為機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)裝置絲杠的支承,必須具有較高的結(jié)構(gòu)剛度。通過上面的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),絲杠座振動(dòng)的相對位移量較小,振動(dòng)很小,具有較高的局部剛度,從而增強(qiáng)了數(shù)控機(jī)床整個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度,保證了傳動(dòng)系統(tǒng)的精度。另外,由振型圖可看出,雖然拖板兩側(cè)的振動(dòng)量最大,但由于其振動(dòng)是沿Y軸的對稱振動(dòng),這樣可以保證拖板上的工作臺只有微小垂向位移而不會左右擺動(dòng)。該銑齒機(jī)床用于加工直齒輪,加工過程中拖板振動(dòng)引起工作臺的微小垂向不會影響齒輪的加工精度,滿足了機(jī)床拖板的設(shè)計(jì)要求。

通過比較發(fā)現(xiàn),兩種有限元軟件計(jì)算出的第三階固有頻率值相差最大,但是兩個(gè)頻率值只相差1.78%,計(jì)算結(jié)果非常接近。當(dāng)前ANSYS軟件普遍用于各種結(jié)構(gòu)的模態(tài)計(jì)算,其計(jì)算結(jié)果具有較強(qiáng)的可信度,因此,Pro/MECHANICA軟件計(jì)算出的結(jié)果也具有較高的精度。

五、結(jié)論

(1)本文通過對機(jī)床拖板的有限元?jiǎng)恿W(xué)模型的模態(tài)分析,算出了該機(jī)床零件的前三階固有頻率和振型。通過振型和動(dòng)畫顯示可以很直觀地分析機(jī)床拖板的動(dòng)態(tài)性能,并且找到零件的薄弱環(huán)節(jié),為機(jī)床支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

(2)本文在分析了通用有限元的一些缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出了采用Pro/MECHANICA有限元分析軟件對拖板進(jìn)行模態(tài)分析的想法,并通過它實(shí)現(xiàn)了實(shí)體建模和有限元分析計(jì)算的無縫集成,提高了有限元分析工作的效率。通過與ANSYS軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,我們發(fā)現(xiàn)Pro/MECHANICA有限元模態(tài)計(jì)算結(jié)果也具有足夠的計(jì)算精度。這為其他的機(jī)床支承件的設(shè)計(jì)提供了新的方法。

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