本科畢業(yè)論文--m7475b平面磨床立柱結(jié)構(gòu)ansys有限元分析

本科畢業(yè)論文M7475B平面磨床立柱的有限元分析目錄前言 4第一章緒論 61.1機(jī)床有限元分析國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 61.1.1國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀 61.1.2國(guó)外的研究現(xiàn)狀 71.2本課題主要研究?jī)?nèi)容 71.3本課題的意義 8第二章M7475B平面磨床簡(jiǎn)介及立柱結(jié)構(gòu)受力分析 92.1平面磨床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 92.2立柱磨頭受力概況 102.2.1砂輪速度的計(jì)算： 102.2.2軸向磨削力的計(jì)算： 112.2.3切向磨削力和法向磨削力的計(jì)算： 112.3磨床振源頻率的確定 122.4本章小結(jié) 13第三章立柱結(jié)構(gòu)有限元模型的建立 133.1PRO/E與ANSYS的連接 133.2立柱結(jié)構(gòu)建模方法 143.3立柱有限元模型 153.4本章小結(jié) 15第四章立柱結(jié)構(gòu)有限元靜力學(xué)分析 164.1有限元方法簡(jiǎn)介 164.2ANSYS軟件簡(jiǎn)介 164.2.1ANSYS的組成及主要技術(shù)特點(diǎn): 164.2.2ANSYS結(jié)構(gòu)分析過(guò)程 174.3立柱結(jié)構(gòu)的ANSYS結(jié)構(gòu)剛度分析 174.3.1定義單元類型 174.3.2定義材料屬性 174.3.3網(wǎng)格劃分 184.3.4施加約束 194.3.5施加載荷 194.3.6計(jì)算結(jié)果 204.4本章小結(jié) 25第五章模態(tài)分析 255.1磨床動(dòng)態(tài)特性參數(shù) 265.2模態(tài)分析的基本思想 265.3模態(tài)分析的基本理論 275.4模態(tài)分析的一般過(guò)程 275.5M7475B平面磨床立柱的模態(tài)分析 285.5.1定義單元類型 285.5.2定義材料屬性 285.5.3網(wǎng)格劃分 285.5.4施加約束 295.5.5分析計(jì)算 295.5.6觀察結(jié)果 295.6本章小結(jié) 32第六章立柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 336.1優(yōu)化設(shè)計(jì)概況 336.1.1優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展 336.1.2優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念 336.1.3優(yōu)化設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益 336.1.4優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展方向 346.2機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 346.3結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化 356.3.1立柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案一 356.3.2立柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案二 396.4本章小節(jié) 43第七章結(jié)論與展望 437.1結(jié)論 437.2論文不足之處 447.3展望 44參考文獻(xiàn) 45致謝 46INDEX\h"—M—"\o"S"\c"2"\z"2052"前言據(jù)權(quán)威部門的一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)資料顯示，目前我國(guó)鄉(xiāng)以及鄉(xiāng)以上獨(dú)立核算的機(jī)械行業(yè)企業(yè)金屬切削機(jī)床擁有量已達(dá)300萬(wàn)臺(tái)，高居世界各國(guó)之首。此外，再加上非獨(dú)立核算的和鄉(xiāng)以下企業(yè)的擁有量，機(jī)床總數(shù)當(dāng)在500萬(wàn)臺(tái)左右，這是一種雄厚的生產(chǎn)資源。然而，另一方面，我國(guó)機(jī)床完好率之低也是驚人的。某機(jī)械工業(yè)集中地區(qū)有關(guān)部門的調(diào)查顯示，中、小型機(jī)械企業(yè)“帶病”工作的機(jī)床竟有60%。這是造成企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量低、經(jīng)濟(jì)效益差的一個(gè)重要原因。磨床加工車間廢品率上升，經(jīng)常使工廠受到嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，研究分析發(fā)現(xiàn)，造成此種后果的重要原因一是磨床完好率差，故障頻繁，精度不夠，得不到及時(shí)的調(diào)整與維修，二是在機(jī)械工業(yè)以及金屬切削加工技術(shù)不斷發(fā)展的今天，進(jìn)行高速磨削提高生產(chǎn)效率以及加工精度已經(jīng)成為磨床的發(fā)展趨勢(shì)，磨床的一些主要結(jié)構(gòu)部件的前幾階固有頻率可能會(huì)處于工作頻率范圍之內(nèi)，將導(dǎo)致磨床的共振。“工欲善其事，必先利其器?！备淖兩鲜鰻顩r，必須改善目前企業(yè)金屬切削機(jī)床基礎(chǔ)部件的剛性，提高機(jī)床抗震性，只有這樣才能從根本解決加工精度和機(jī)床壽命問(wèn)題。因此利用大型有限元分析軟件對(duì)磨床床身部件進(jìn)行靜力學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析以改善上述情況變得十分必要。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件，能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與交換。利用ANSYS軟件能進(jìn)行復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變分析的巨大優(yōu)勢(shì)，通過(guò)大型三維建模軟件Pro/ENGINEER建立立柱模型，導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行分析，可以清楚并定量的表現(xiàn)出部件變形的情況，從而為提高部件剛性提供理論依據(jù)以及數(shù)據(jù)支持。振動(dòng)現(xiàn)象也是機(jī)床設(shè)計(jì)中所面臨的問(wèn)題之一，它能造成加工誤差，影響零件的加工精度。模態(tài)分析主要用于確定結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性。建立機(jī)床基礎(chǔ)部件三維模型，利用大型有限元分析軟件ANSYS，對(duì)機(jī)床部件進(jìn)行模態(tài)分析，得出床身部件前幾階固有頻率和振型，了解床身部件的各階振動(dòng)模態(tài)的特點(diǎn)，對(duì)于我們研究床身部件的動(dòng)態(tài)特性是十分必要的，有利于機(jī)床床身系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。提高機(jī)床零部件的前幾階固有頻率是提高機(jī)床剛性、避免共振、降低振幅的有效措施。M7475B型平面磨床是機(jī)械工業(yè)中廣泛使用的重要金屬磨削加工工具，采用砂輪端面進(jìn)行磨削，磨削面積大，立柱結(jié)構(gòu)受力情況極為復(fù)雜，本課題用三維CAD軟件Pro/ENGINEER對(duì)M7475B型磨床立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并將三維模型導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，利用其強(qiáng)大的分析能力對(duì)M7475B型磨床立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力及應(yīng)變分析，探討通過(guò)改變立柱結(jié)構(gòu)以增加立柱結(jié)構(gòu)剛性,并基于ANSYS有限元方法對(duì)立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，探討不同結(jié)構(gòu)對(duì)提高立柱前幾階固有頻率的影響，通過(guò)提高前幾階固有頻率提高立柱結(jié)構(gòu)抗振性，對(duì)提高磨床加工質(zhì)量和精度有重要意義。第一章緒論1.1機(jī)床有限元分析國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀國(guó)際上早在60年代初就開始投入大量的人力和物力開發(fā)有限元分析程序，但真正的CAE軟件是誕生于70年代初期，而近15年則是CAE軟件商品化的發(fā)展階段，目前流行的CAE分析軟件主要有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、MAGSOFT、COSMOS等。ANSYS軟件致力于耦合場(chǎng)的分析計(jì)算，能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)、流體、熱、電磁四種場(chǎng)的計(jì)算，已博得了世界上數(shù)千家用戶的鐘愛(ài)。同時(shí)，21世紀(jì)ANSYS在機(jī)械行業(yè)的廣泛應(yīng)用已給傳統(tǒng)機(jī)械工業(yè)帶來(lái)了新的革命，更高的可靠性設(shè)計(jì)、更好的抗震性設(shè)計(jì)等均是ANSYS給機(jī)械工業(yè)帶來(lái)的驚喜，特別是在機(jī)床結(jié)構(gòu)和抗震性設(shè)計(jì)方面國(guó)內(nèi)外已有大量成果斐然的研究。1.1.1國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀東南大學(xué)機(jī)械工程系的倪曉宇、易紅等利用有限元法對(duì)機(jī)床床身進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)分析，并使用漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法對(duì)床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于基頻約束和剛度約束的拓?fù)鋬?yōu)化，為ESO方法在機(jī)床大件結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化中的應(yīng)用做了有益的嘗試[1]；內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的楊明亞等建立立柱的三維有限元模型，利用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)立柱部件進(jìn)行了模態(tài)分析,得出了立柱前五階固有頻率和振型[2]；浙江大學(xué)現(xiàn)代制造工程研究所的楊曉京等基于ANSYS有限元分析軟件對(duì)XK640數(shù)控銑床的立柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，比較了四種結(jié)構(gòu)形式的立柱的動(dòng)力特性，確定了在XK640數(shù)控銑床中選用內(nèi)側(cè)加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)立柱，提高了機(jī)床設(shè)計(jì)水平[3]；東南大學(xué)機(jī)械工程系的伍建國(guó)等在對(duì)M2120A原機(jī)床床身動(dòng)態(tài)測(cè)試的基礎(chǔ)上，建立床身的有限元分析模型，并對(duì)床身進(jìn)行有限元計(jì)算，找出原床身設(shè)計(jì)中的缺陷，從而對(duì)各種改進(jìn)后的機(jī)床身再進(jìn)行有限元分析，通過(guò)多方案的比較，得出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案[4]；東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院的張耀滿等在CHH6125臥式車削加工中心的研制開發(fā)過(guò)程中，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段對(duì)其采用有限元分析方法，對(duì)機(jī)床的原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算、對(duì)機(jī)床原有機(jī)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，提高機(jī)床的動(dòng)力學(xué)性能，并對(duì)機(jī)床進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[5]；西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的朱育權(quán)等通過(guò)ANSYS軟件建立1CL50機(jī)床立柱的幾何模型，采用四面體單元對(duì)立柱進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分析了1CL50立柱的一階、二階和三階振型，得出一階振動(dòng)為整機(jī)搖晃和橫斷面內(nèi)彎曲振動(dòng)，二階振型為橫斷面內(nèi)扭曲振動(dòng)加垂直方向彎曲振動(dòng)，三階振型為橫斷面內(nèi)彎曲振動(dòng)加垂直面內(nèi)彎曲振動(dòng)，分析指出了加工過(guò)程中應(yīng)該避開的激振頻率，避免一階振動(dòng)應(yīng)加十字型筋板，避免二階振動(dòng)應(yīng)加對(duì)角交叉筋板，避免三階振動(dòng)應(yīng)加菱形筋板[6]。1.1.2國(guó)外的研究現(xiàn)狀MohammedAlfares等研究了磨床動(dòng)載情況下,對(duì)應(yīng)磨削力的變化情況,以及對(duì)工件材料的影響[7]。N.zhang和I.Kirpitchkenko建立了磨削過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型,找出了磨削力和模型固有頻率變化之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,給出了磨削力的估算公式[8]。1.2本課題主要研究?jī)?nèi)容本課題用三維CAD軟件Pro/ENGINEER對(duì)M7475B型磨床立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并將三維模型導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，利用其強(qiáng)大的分析能力對(duì)M7475B型磨床立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力及應(yīng)變分析，探討通過(guò)改變立柱結(jié)構(gòu)以增加立柱結(jié)構(gòu)剛性,并基于ANSYS有限元方法對(duì)立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，探討不同結(jié)構(gòu)對(duì)提高立柱前幾階固有頻率的影響，通過(guò)提高前幾階固有頻率提高立柱結(jié)構(gòu)抗振性。1.3本課題的意義本課題利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)M7475B平面磨床立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元的靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件，能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與交換。利用ANSYS軟件能進(jìn)行復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變分析的巨大優(yōu)勢(shì)，通過(guò)大型三維建模軟件Pro/ENGINEER建立立柱模型，導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行分析，可以清楚并定量的表現(xiàn)出部件變形的情況，從而為提高部件剛性提供理論依據(jù)以及數(shù)據(jù)支持。振動(dòng)現(xiàn)象也是機(jī)床設(shè)計(jì)中所面臨的問(wèn)題之一，它能造成加工誤差，影響零件的加工精度。模態(tài)分析主要用于確定結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性。建立機(jī)床基礎(chǔ)部件三維模型，利用大型有限元分析軟件ANSYS，對(duì)機(jī)床部件進(jìn)行模態(tài)分析，得出床身部件前幾階固有頻率和振型，了解床身部件的各階振動(dòng)模態(tài)的特點(diǎn)，對(duì)于我們研究床身部件的動(dòng)態(tài)特性是十分必要的，有利于機(jī)床床身系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高機(jī)床零部件的前幾階固有頻率是提高機(jī)床剛性、避免共振、降低振幅的有效措施。第二章M7475B平面磨床簡(jiǎn)介及立柱結(jié)構(gòu)受力分析2.1平面磨床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介平面磨床是用磨削方法加工工件的機(jī)床,可以進(jìn)行不同精度的各種表面的加工。同一臺(tái)磨床可以一次性完成粗、精磨削,減少了工序間的搬運(yùn)、裝夾等輔助時(shí)間,具有較高的生產(chǎn)效率。平面磨床一般由床身、工作臺(tái)、磨頭、橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成[9]。按照磨頭主軸位置和結(jié)構(gòu)布局的不同,主要分為臥軸矩臺(tái)平面磨床、臥軸圓臺(tái)平面磨床、立軸矩臺(tái)平面磨床和立軸圓臺(tái)平面磨床四種類型。M7475B平面磨床屬于立軸圓臺(tái)平面磨床，有圓形電磁工作臺(tái)和立式磨頭,采用砂輪端面磨削。該機(jī)床為高效率的平面磨床，主要是用于粗磨毛坯或磨削一般精度的工件，適用于成批生產(chǎn)。磨頭的回轉(zhuǎn)、機(jī)動(dòng)進(jìn)給和快速升降、工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)和移動(dòng)，都分別采用單個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。M7475B平面磨床結(jié)構(gòu)如圖所示。圖2-1M7475B平面磨床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.2立柱磨頭受力概況M7475B平面磨床M7475B平面磨床屬于立軸圓臺(tái)平面磨床，采用砂輪端面磨削。它的立柱結(jié)構(gòu)主要受砂輪架的重力和端面磨削時(shí)產(chǎn)生的磨削力，其中端面磨削時(shí)產(chǎn)生的磨削力分為切向力，法向力，和縱向進(jìn)給產(chǎn)生的軸向力。在本課題中估算砂輪架的重力G=1500N,磨削力的相關(guān)計(jì)算如下：2.2.1砂輪速度的計(jì)算———砂輪速度（m/s）———砂輪直徑（mm）———砂輪轉(zhuǎn)速（r/min）本課題中砂輪直徑為450mm，為970r/min，代入數(shù)據(jù)計(jì)算得出：=22.86m/s2.2.2軸向磨削力的計(jì)算本課題考慮磨床加工鑄鐵時(shí)的受力情況,軸向磨削力的計(jì)算公式如下：[10]———去除單位體積的磨屑所需的能，(見(jiàn)表1)，kgf／mm———砂輪線速度，mm／s———磨粒為圓錐形時(shí)的錐頂半角，計(jì)算時(shí)一般取~R———電磁工作臺(tái)半徑，mm———工作臺(tái)單位時(shí)間所轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，r／s———工件單位時(shí)間垂直進(jìn)給量,mm/s表1各種工件材料的值（GB80RA和TL80RA）工件材料花崗巖硅純鐵鑄鐵高速鋼(kgf/mm)4305502804901800本課題中取=1mm/min,電磁工作臺(tái)的轉(zhuǎn)速=20r/min，電磁工作臺(tái)半徑R=375mm，取最大值，代入公式計(jì)算得出=1330N（軸向磨削力）。2.2.3切向磨削力和法向磨削力的計(jì)算：根據(jù)切向力估算公式，式中為砂輪的切向力,為電機(jī)的輸入功率（kw）,為電機(jī)的傳動(dòng)效率,為砂輪的轉(zhuǎn)速（r/s）,為砂輪的直徑(mm)。所研究磨床的主電機(jī)功率是25kw,砂輪轉(zhuǎn)速16.17r/s,砂輪直徑450mm。將相應(yīng)的數(shù)據(jù)代入公式可得砂輪的切向力=1083N,根據(jù)文獻(xiàn)[22]工程上加工鑄鐵材料工件時(shí)法向力和切向力之比/=0.35，求得法向力=3093N。磨床立柱受力分析示意圖2-2、2-3。圖2-2磨床立柱受力分析示意圖圖2-3磨床立柱受力分析示意圖2.3磨床振源頻率的確定磨床在工作過(guò)程中受到多種激振頻率的影響,其中以主軸電機(jī)和機(jī)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)的影響最為明顯。M7475B平面磨床所使用的主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速為970r/min,機(jī)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1410r/min,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的受迫振動(dòng)的頻率可由共求出，則主軸電機(jī)引起的頻率為16.17Hz,機(jī)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)引起的頻率為23.5Hz。電機(jī)在使用過(guò)程中,由于轉(zhuǎn)子繞組不對(duì)稱,使得定子和轉(zhuǎn)子主磁力波相互作用的徑向分量引起振動(dòng),即,由成對(duì)磁極產(chǎn)生的電磁拉力引起振動(dòng),其頻率是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的2倍。據(jù)此,考慮磁拉力的影響,主軸電機(jī)引起的振動(dòng)頻率為32Hz,機(jī)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)引起的振動(dòng)頻率為47Hz。2.4本章小結(jié) 本章針對(duì)M7475B平面磨床采用立軸圓臺(tái)端面磨的特點(diǎn)，分別近似模擬出立柱所受磨削力的示意圖，并查閱相關(guān)文獻(xiàn)計(jì)算出磨削力的大小。在這里有一點(diǎn)需要說(shuō)明的是，在本課題中法向磨削力的方向近似與立柱結(jié)構(gòu)的對(duì)稱中心相平行，而在實(shí)際加工情況下法向磨削力的方向是與立柱對(duì)稱中心偏離一個(gè)微小角度的。這樣做是為了簡(jiǎn)化計(jì)算，并且簡(jiǎn)化對(duì)于結(jié)果影響不大。第三章立柱結(jié)構(gòu)有限元模型的建立3.1PRO/E與ANSYS的連接ANSYS軟件提供了與大多數(shù)CAD軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和交換的圖形接口,ANSYS自帶的圖形接口能識(shí)別IGES、ParaSolid、CATIA、Pro/E、UG等標(biāo)準(zhǔn)的文件，使用這些接口轉(zhuǎn)換模型的方法很簡(jiǎn)單,只要在CAD中將建好的模型使用另存為或者導(dǎo)出命令,保存為ANSYS能識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)圖形文件,通常使用的有IGES和ParaSolid文件，在ANSYS中使用File->Import導(dǎo)入模型,然后進(jìn)行模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)修改。對(duì)于CATIA和Pro/E等CAD軟件,ANSYS能直接識(shí)別它們的文件,不需要另存其他格式的文件。使用這些圖形接口雖然快速方便,但是往往會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題,甚至?xí)l(fā)生不能識(shí)別的問(wèn)題。例如IGES文件是ISO標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)圖形交換格式之一,IGES作為一種表達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成中性文件格式的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)文件之間的交換具有很大的優(yōu)勢(shì),但是ANSYS對(duì)IGES的支持不夠,在導(dǎo)入IGES文件的時(shí)候,無(wú)法識(shí)別小的幾何元素,造成所生成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不連續(xù),無(wú)法生成實(shí)體,導(dǎo)入的模型只是由一些面組成，而且,ANSYS讀入IGES所需的時(shí)間很長(zhǎng)。ANSYS軟件為了擴(kuò)充與其他CAD軟件之間的接口的功能,開發(fā)設(shè)置了ANSYS與Pro/E的連接模塊,安裝的時(shí)候必須選擇ANSYSConnectionForPro/ENGINEER模塊(代號(hào)82)，這個(gè)模塊的功能就是將Pro/E里面的模型生成ANSYS的命令流文件,這個(gè)命令流文件的擴(kuò)展名是anf,ANSYS讀入anf文件后,即可自動(dòng)將模型建好,而且這樣建立的模型幾乎沒(méi)有誤差。3.2立柱結(jié)構(gòu)建模方法利用Pro/ENGINEER三維建模軟件建立模型如下：3.3立柱有限元模型由于磨床在工作的過(guò)程中,工作狀況比較復(fù)雜,受多方面因素的影響,所以進(jìn)行有限元分析時(shí),為簡(jiǎn)化計(jì)算,需要假設(shè)認(rèn)定磨床材料是各向同性材料,密度均勻分布,在工作過(guò)程中始終處于彈性階段，并且假定位移和變形都是微小的[12]。磨床立柱結(jié)構(gòu)模型相對(duì)復(fù)雜，在導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行分析前需要對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化，如去除相應(yīng)圓倒角、凸臺(tái)、螺釘孔、銷孔、圓角以及退刀槽等對(duì)分析結(jié)果影響不大的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)[13]，在本課題中根據(jù)實(shí)際情況去除了大部分的圓倒角，這樣可以簡(jiǎn)化電腦運(yùn)算時(shí)間，并且對(duì)有限元分析結(jié)果影響甚微。有限元模型的生成如下圖:3.4本章小結(jié)本課題采用三維CAD軟件Pro/ENGINEER對(duì)M7475B型磨床立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并將三維模型導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，生成有限元模型。第四章立柱結(jié)構(gòu)有限元靜力學(xué)分析4.1有限元方法簡(jiǎn)介有限元方法是用于求解工程中各類問(wèn)題的數(shù)值方法。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度分析中的靜力、線性或者非線性問(wèn)題，熱傳導(dǎo)中穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)或者熱應(yīng)力問(wèn)題，以及流體力學(xué)和電磁學(xué)中的很多問(wèn)題都可以用有限元方法解決。有限元方法的基本步驟如下:將實(shí)際求解范圍離散化，即將求解域劃分成節(jié)點(diǎn)和單元。選擇合適的形函數(shù)，即選擇一個(gè)用單元節(jié)點(diǎn)解描述整個(gè)單元解的連續(xù)函數(shù)。對(duì)每個(gè)單元建立單元?jiǎng)偠染仃?。按照一定?jié)點(diǎn)編碼順序，將各個(gè)單元?jiǎng)偠染仃嚡B加以構(gòu)造結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣。寫出以節(jié)點(diǎn)自由度（DOF）為未知量的結(jié)構(gòu)整體剛度方程，并將邊界條件、初始條件應(yīng)用到方程中。求解步驟（5）中得到的方程組，以得到節(jié)點(diǎn)上的自由度值。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的值和形函數(shù)，得到其他的物理量。例如，應(yīng)力、支座反力、彎矩圖、熱流量等。4.2ANSYS軟件簡(jiǎn)介ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。4.2.1ANSYS的組成及主要技術(shù)特點(diǎn):軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來(lái)模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。4.2.2A有限元分析的一般流程為：（1）從三維實(shí)體建模模塊進(jìn)入有限元分析模塊。（2）在實(shí)體上施加約束。（3）在實(shí)體上施加載荷。（4）計(jì)算（包括網(wǎng)格自動(dòng)劃分），解方程和生成應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果。（5）分析計(jì)算結(jié)果，單元網(wǎng)格、應(yīng)力或變形顯示。（6）對(duì)關(guān)心的區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格、重新計(jì)算。4.3立柱結(jié)構(gòu)的ANSYS結(jié)構(gòu)剛度分析4.3.1定義單元類型由于磨床立柱模型比較復(fù)雜，不宜簡(jiǎn)化為板、殼單元的有限元模型,需要采用三維實(shí)體單元對(duì)磨床結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本課題中采用軟件提供的solid92單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。該單元為10節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)線性單元,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有沿X、Y和Z方向的三個(gè)平移自由度,并且單元有可塑性、蠕動(dòng)、膨脹、應(yīng)力鋼化,大變形,和大張力的能力，如圖4-1。4.3.2定義材料屬性M7475B磨床立柱采用材料HT300，材料詳細(xì)信息如下表表4-115結(jié)構(gòu)剛度分析所需材料屬性信息材料名稱楊氏彈性模量EX泊松比PRXYHT300N/0.27圖4-1SOLID92幾何模型4.3.3網(wǎng)格劃分由于磨床立柱結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,建模的時(shí)候出現(xiàn)了很多小線段,采用智能網(wǎng)格劃分時(shí)容易在不重要的局部結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生過(guò)多的單元，而采用整體控制單元尺寸的自由網(wǎng)格劃分方法,單元的數(shù)目可明顯減少，這樣就簡(jiǎn)化了計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算的時(shí)間。因此,進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),合理選擇整體單元尺寸為80mm,采用自由網(wǎng)格劃分,最后得到的平面磨床整體結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖4-2所示。圖4-2立柱有限元模型網(wǎng)格劃分圖4.3.4施加約束因立軸圓臺(tái)平面磨床磨削工件分粗磨和精磨兩種。粗磨時(shí)，為提高磨削效率，可將砂輪軸在垂直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，即用傾斜的砂輪端面磨削；精磨時(shí)，必須用水平砂輪磨削。為適應(yīng)砂輪主軸的旋轉(zhuǎn)角度，本機(jī)床采用立柱三點(diǎn)調(diào)整裝置，即在立柱與床身的結(jié)合處安裝三套螺釘調(diào)整裝置，每套相隔距離一致。所以本課題中在三個(gè)螺釘調(diào)整裝置孔的圓柱面上施加約束，定義ALLDOF值為0，約束后的結(jié)果如圖4-3所示。圖4-3施加約束后立柱有限元模型4.3.5施加載荷立柱主要承受砂輪架重力、磨削力以及重力和磨削力所帶給它的彎矩，將重力以及磨削力以均布力的形式施加到立柱上，并且將彎矩簡(jiǎn)化成力偶矩，選擇合適的力臂，經(jīng)計(jì)算得出力偶中力的大小，同時(shí)為了避免單個(gè)力施加在單個(gè)節(jié)點(diǎn)上可能引起的應(yīng)力集中，將力偶簡(jiǎn)化成均布力施加在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，如此對(duì)立柱進(jìn)行載荷的施加，結(jié)果如圖4-4所示。圖4-4施加載荷后立柱有限元模型4.3.6計(jì)算結(jié)果進(jìn)入求解器MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS。求解完成后，進(jìn)入通用后處理器觀察計(jì)算結(jié)果。床身變形如圖4-5、4-6、4-7、4-8所示。圖4-5X方向位移變形云圖圖4-6Y方向位移變形云圖圖4-7Z方向位移變形云圖圖4-8立柱總位移云圖從位移云圖中可以看出，立柱導(dǎo)軌位移最大，且導(dǎo)軌右半部分有明顯位移，達(dá)到0.01毫米，這與磨床電磁工作臺(tái)的轉(zhuǎn)向相符合。圖4-9X方向應(yīng)力云圖圖4-10Y方向應(yīng)力云圖圖4-11Z方向應(yīng)力云圖圖4-12立柱總應(yīng)力云圖從應(yīng)力云圖（圖4-9、4-10、4-11、4-12）來(lái)看，該型號(hào)磨床立柱受載后平均應(yīng)力不高，基本不會(huì)形成應(yīng)力集中，總體來(lái)說(shuō)滿足強(qiáng)度要求。4.4本章小結(jié)本章對(duì)M7475B平面磨床的立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)分析，綜合分析結(jié)果，需要注意以下幾點(diǎn)：（1）磨床立柱結(jié)構(gòu)在靜載下的變形量都比較小,最大變形量在0.01mm左右；（2）在實(shí)際應(yīng)用中，M7475B平面磨床立柱的受力情況隨加工工件的不同而不同，本課題只考慮了加工鑄鐵工件時(shí)的受力情況，對(duì)于加工其它工件時(shí)立柱受力，有待進(jìn)一步研究探討。（3）實(shí)際加工過(guò)程中，磨床立柱還會(huì)收到熱應(yīng)力的影響，在本課題中也作了忽略。第五章模態(tài)分析機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性是影響機(jī)床性能的重要因素,直接影響著工件的加工精度和生產(chǎn)效率,隨著機(jī)床加工性能的不斷提高,對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的要求也愈來(lái)愈高。所以,有必要在靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上對(duì)磨床結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的動(dòng)態(tài)分析,包括對(duì)磨床立柱原始結(jié)構(gòu)及其改進(jìn)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。結(jié)構(gòu)的固有頻率是衡量結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的重要指標(biāo),磨床立柱本身的固有頻率對(duì)整機(jī)的動(dòng)態(tài)特性有重要影響，在遠(yuǎn)離振源頻率的前提下,提高立柱的固有頻率可以改善整機(jī)的動(dòng)態(tài)特性,從而減小磨床加工過(guò)程中的變形[14]。5.1磨床動(dòng)態(tài)特性參數(shù)磨床的動(dòng)態(tài)性能是指機(jī)床系統(tǒng)在振動(dòng)狀態(tài)下的特性,是一項(xiàng)綜合性的指標(biāo),主要指標(biāo)有：1.固有頻率和主振型,固有頻率表示彈性系統(tǒng)每秒的振動(dòng)次數(shù)（單位Hz）,可以用下式來(lái)表示：其中為k系統(tǒng)剛度,m為系統(tǒng)質(zhì)量。多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)有多個(gè)主振動(dòng),每個(gè)主振動(dòng)中,系統(tǒng)各個(gè)坐標(biāo)之間振動(dòng)位移的比值,稱為主振型。2.動(dòng)剛度,是指系統(tǒng)抵抗動(dòng)載荷引起變形的能力,可以表示為：式中,F為激振力,A為共振振幅。一般來(lái)說(shuō)動(dòng)剛度要小于靜剛度,而且隨著阻尼比的變化而變化。3.當(dāng)量靜剛度,當(dāng)系統(tǒng)的靜剛度用動(dòng)剛度和阻尼比來(lái)表示時(shí),稱為當(dāng)量靜剛度。當(dāng)量靜剛度是指結(jié)構(gòu)發(fā)生共振時(shí)的靜剛度?？梢杂孟率奖硎荆河缮峡芍?機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)特性主要取決于：(1)系統(tǒng)的靜剛度K；(2)激振力條件,如激振頻率ω、激振力F的大小等；(3)系統(tǒng)的物理特性,如質(zhì)量、固有頻率等。5.2模態(tài)分析的基本思想模態(tài)分析屬于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，它與靜力分析的主要區(qū)別是動(dòng)力學(xué)分析需要考慮慣性力和運(yùn)動(dòng)阻力的影響。5.3模態(tài)分析的基本理論模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性（固有頻率和振型），即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。同時(shí)，也可以作為其它動(dòng)力學(xué)分析問(wèn)題的起點(diǎn)，例如瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析和譜分析，其中模態(tài)分析也是進(jìn)行譜分析或模態(tài)疊加法諧響應(yīng)分析或瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析所必需的前期分析過(guò)程。ANSYS的模態(tài)分析可以對(duì)有預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。前者有旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片等的模態(tài)分析，后者則允許在建立一部分循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的模型來(lái)完成對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。ANSYS產(chǎn)品家族中的模態(tài)分析是一個(gè)線性分析。任何非線性特性，如塑性和接觸（間隙）單元，即使定義了也將被忽略。ANSYS提供了七種模態(tài)提取方法，它們分別是子空間法、分塊Lanczos法、PowerDynamics法、縮減法、非對(duì)稱法、阻尼法和QR阻尼法。阻尼法和QR阻尼法允許在結(jié)構(gòu)中存在阻尼，本課題中采用的是子空間法。5.4模態(tài)分析的一般過(guò)程模態(tài)分析的主要步驟為：(1)建立有限元模型模態(tài)分析所用的離散模型與結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析時(shí)所用的模型可以相同，否則就應(yīng)該在前處理中定義單元類型，單元實(shí)常數(shù)，材料特性和模型的幾何性質(zhì)。需要指出的是，建立模型時(shí)所定義的單元應(yīng)該是線性單元。材料模型可以是線性的、各向同性的或各向異性的，但是必須通過(guò)彈性模量和密度或者以其他方式對(duì)材料的剛度和質(zhì)量進(jìn)行定義。(2)施加載荷并進(jìn)行求解這一步主要定義分析類型、指定分析設(shè)置、定義載荷和邊界條件、指定加載過(guò)程設(shè)置，然后進(jìn)行固有頻率的有限元求解，在得到初始解后，應(yīng)該對(duì)模態(tài)進(jìn)行擴(kuò)展以供查看。(3)擴(kuò)展模態(tài)從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，“擴(kuò)展”這個(gè)詞意味著將減縮解擴(kuò)展到完整的DOF集上。“減縮解”常用主DOF表達(dá)。而在模態(tài)分析中，我們用“擴(kuò)展”這個(gè)詞指將振型寫入結(jié)果文件。也就是說(shuō)，“擴(kuò)展模態(tài)”不僅適用于Reduced模態(tài)提取方法得到的減縮模型，而且也適用于其他模態(tài)提取方法得到的完整振型。因此，如果想在后處理器中查看振型，必須先擴(kuò)展之(也就是將振型寫入結(jié)果文件)。(4)觀察結(jié)果和后處理模態(tài)分析的結(jié)果(即擴(kuò)展模態(tài)處理的結(jié)果)被寫入到結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果文件Jobname.RST中。分析包括：固有頻率、已擴(kuò)展的振型、相對(duì)應(yīng)力和力分布?？梢栽赑OST1[/POST1]即普通后處理器中觀察模態(tài)分析結(jié)果。5.5M7475B平面磨床立柱的模態(tài)分析5.5.1定義單元類型由于磨床立柱模型比較復(fù)雜，不宜簡(jiǎn)化為板、殼單元的有限元模型,需要采用三維實(shí)體單元對(duì)磨床結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本課題中采用軟件提供的solid92單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。該單元為10節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)線性單元,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有沿X、Y和Z方向的三個(gè)平移自由度,并且單元有可塑性、蠕動(dòng)、膨脹、應(yīng)力鋼化,大變形,和大張力的能力。定義材料屬性磨床立柱采用材料HT300，材料詳細(xì)信息如下表:表5-1模態(tài)分析所需的材料屬性信息材料名稱密度Density楊氏彈性模量EX泊松比PRXYHT3007800kg/N/0.275.5.3網(wǎng)格劃分磨床立柱結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,建模的時(shí)候出現(xiàn)了很多小線段,采用智能網(wǎng)格劃分時(shí)容易在不重要的局部結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生過(guò)多的單元，而采用整體控制單元尺寸的自由網(wǎng)格劃分方法,單元的數(shù)目可明顯減少，這樣就簡(jiǎn)化了計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算的時(shí)間。因此,進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),合理選擇整體單元尺寸為80mm,采用自由網(wǎng)格劃分,最后得到的平面磨床整體結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖4-2所示。5.5.4施加約束立軸圓臺(tái)平面磨床磨削工件分粗磨和精磨兩種。粗磨時(shí)，為提高磨削效率，可將砂輪軸在垂直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，即用傾斜的砂輪端面磨削；精磨時(shí)，必須用水平砂輪磨削。為適應(yīng)砂輪主軸的旋轉(zhuǎn)角度，本機(jī)床采用立柱三點(diǎn)調(diào)整裝置，即在立柱與床身的結(jié)合處安裝三套螺釘調(diào)整裝置，每套相隔距離一致。所以本課題中在三個(gè)螺釘調(diào)整裝置孔的圓柱面上施加約束，定義ALLDOF值為0。5.5.5分析計(jì)算進(jìn)入求解器MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS。求解完成后，進(jìn)入通用后處理器觀察計(jì)算結(jié)果。分析計(jì)算磨床立柱各階振型頻率如表5-2所示：表5-2磨床立柱各階振型頻率振型階數(shù)12345振型頻率（Hz）100.74131.60251.04446.99460.80最大變形（mm）1.7691.7412.1675.982.475.5.6觀察結(jié)果磨床立柱模態(tài)分析各階振型圖如下：圖5-11階振型節(jié)點(diǎn)位移變形云圖圖5-22階振型節(jié)點(diǎn)位移變形云圖圖5-33階振型節(jié)點(diǎn)位移變形云圖圖5-44階振型節(jié)點(diǎn)位移變形云圖圖5-55階振型節(jié)點(diǎn)位移變形云圖由第二章磨床振源頻率的確定可知主軸電機(jī)引起的振動(dòng)頻率為32Hz,機(jī)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)引起的振動(dòng)頻率為47Hz。分析計(jì)算結(jié)果中1階振型頻率為100.74Hz，1階固有振型頻率已經(jīng)遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)電機(jī)所引起的振動(dòng)頻率，而2到5階振型頻率更難達(dá)到，所以不容易引起磨床立柱的共振。5.6本章小結(jié)本章節(jié)通過(guò)對(duì)磨床立柱的有限元模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析，掌握了立柱各階振型下所引起的變形情況，通過(guò)觀察振型頻率和變形，了解原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的缺陷，為后面磨床立柱的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高磨床加工精度奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。第六章立柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)6.1優(yōu)化設(shè)計(jì)概況6.1.1優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了由懷疑、提高認(rèn)識(shí)到實(shí)踐收效，從而引起廣大工程界日益重、視的過(guò)程。在60～70年代，計(jì)算機(jī)價(jià)格昂貴，優(yōu)化設(shè)計(jì)在應(yīng)用實(shí)踐方面多數(shù)限于高等院校、研究所和少數(shù)大型企業(yè)中開展。從70年代到80年代，計(jì)算機(jī)價(jià)格大幅度下降，優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用的誘人威力，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激化，作為產(chǎn)品開發(fā)和更新的第一關(guān)是如何極大地縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和降低設(shè)計(jì)成本已成為企業(yè)生存的生命線，從而引起廣大企業(yè)和設(shè)計(jì)師的高度重視。用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法來(lái)改造傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已成為競(jìng)相研究和推廣并可帶來(lái)重大變革的發(fā)展戰(zhàn)略，優(yōu)化設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域中開拓了新的途徑。6.1.2優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是將機(jī)械工程的設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問(wèn)題，然后選擇適當(dāng)?shù)淖顑?yōu)化方法，利用電子計(jì)算機(jī)從滿足要求的可行設(shè)計(jì)方案中自動(dòng)尋找實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)步驟：把實(shí)際機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型的特性，選擇某種適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法及其程序，通過(guò)電子計(jì)算機(jī)，求得最優(yōu)解。6.1.3優(yōu)化設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是把數(shù)學(xué)規(guī)劃理論與計(jì)算方法應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)，按照預(yù)定的目標(biāo)。借助于電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的有關(guān)參數(shù)，從而獲得好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果:(1.)可以降低機(jī)械產(chǎn)品成本，提高它的性能;(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中所獲得的大量數(shù)據(jù)，可以幫助我們摸清各項(xiàng)指標(biāo)的變化規(guī)律，有利于對(duì)今后設(shè)計(jì)結(jié)果作出正確的判斷，從而不斷提高系列產(chǎn)品的性能;(3)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可合理解決多參數(shù)多目標(biāo)的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)問(wèn)題。6.1.4優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展方向21世紀(jì)機(jī)械優(yōu)化的對(duì)象已不是簡(jiǎn)單的機(jī)械零部件，而是復(fù)雜的零部件、整機(jī)直至系列產(chǎn)品和組合產(chǎn)品(統(tǒng)稱為復(fù)雜系統(tǒng))。主要向兩個(gè)方向發(fā)展：1.對(duì)產(chǎn)品的性能要求由單一性要求發(fā)展到多性能和全性能要求，這將導(dǎo)致基于復(fù)雜系統(tǒng)多性能和全性能要求的優(yōu)化。2.從產(chǎn)品的單一設(shè)計(jì)優(yōu)化發(fā)展到產(chǎn)品的加工制造、使用、維修與管理直至回用的全壽命周期優(yōu)化。6.2機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為使機(jī)床具有較好的加工性能和經(jīng)濟(jì)效益,機(jī)床的設(shè)計(jì)一般應(yīng)當(dāng)滿足以下的準(zhǔn)則：具有較廣的工藝范圍,能滿足各種零件加工的需要較高的精度,包括幾何精度,運(yùn)動(dòng)精度和傳動(dòng)精度等高可靠性,要求機(jī)床在規(guī)定的使用期內(nèi)盡可能少發(fā)生故障[17]。另外,設(shè)計(jì)不能單純從結(jié)構(gòu)上考慮,有關(guān)人機(jī)關(guān)系的因素,外觀、制造、裝配和維修的方便性等問(wèn)題也都必須予以注意，即,機(jī)床的設(shè)計(jì)必須使其結(jié)果在技術(shù)上是可以接受的,在外觀上是令人滿意的,并且在經(jīng)濟(jì)上是有競(jìng)爭(zhēng)能力的。機(jī)床大件是整臺(tái)機(jī)床的基礎(chǔ)和支架,其它零部件以它們作為支承、固定和運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ),所以床身、立柱、拖板等大件,是決定整機(jī)性能的關(guān)鍵件。機(jī)床大件的功能主要有如下方面的要求[18]：1.靜剛度要求高,在最大允許載荷時(shí),變形量不超過(guò)規(guī)定值；在大件本體移動(dòng)時(shí),或其它部件在大件上移動(dòng)時(shí),靜剛度的變化應(yīng)小。2.動(dòng)剛度要好,在預(yù)定的切削條件下工作時(shí),能穩(wěn)定地達(dá)到預(yù)期的加工精度。3.連接剛度要好,結(jié)構(gòu)要合理,便于調(diào)整和裝卸。4.溫度場(chǎng)分布合理,工作時(shí)的熱變形對(duì)加工精度影響小。5.導(dǎo)軌面受力合理,耐磨性要好。6.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,材質(zhì)穩(wěn)定,能長(zhǎng)期保持規(guī)定精度。7.排屑容易,冷卻液和潤(rùn)滑油的渠道暢通,而且不漏油或透油。8.重量要輕,體形要合理,便于吊裝和運(yùn)輸。由此可見(jiàn),一個(gè)好的結(jié)構(gòu)不僅要有良好的靜態(tài)性能,還要有良好的動(dòng)態(tài)和熱態(tài)性能,在此條件下還要盡量減小質(zhì)量,節(jié)省材料,降低成本。6.3結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化一般機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化準(zhǔn)則為：①提高各階固有頻率；②各階固有頻率盡量均布；③避免固有頻率與外界激勵(lì)頻率一致引起共振；④各子結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度不出現(xiàn)明顯薄弱環(huán)節(jié)。6.3.1立柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案一在本優(yōu)化方案下，在立柱底座垂直邊角出加了一邊兩條共四條斜筋板（見(jiàn)圖6-1），并將改進(jìn)后的立柱結(jié)構(gòu)導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算磨床立柱各階振型頻率如表6-1。表6-1磨床立柱改進(jìn)型1各階振型頻率振型階數(shù)12345振型頻率（Hz）108.35135.54259.68448.55467.86最大變形（mm）1.7861.752.1986.3922.808圖6-1磨床立柱改進(jìn)型1有限元模型表6-2磨床立柱改進(jìn)型1各階振型頻率與原結(jié)構(gòu)振型頻率的比較振型階數(shù)12345原有結(jié)構(gòu)振型頻率（Hz）100.74131.60251.04446.99460.80改進(jìn)型1振型頻率（Hz）108.35135.54259.68448.55467.86通過(guò)比較磨床立柱改進(jìn)型1有限元模型各階振型頻率與原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)振型頻率可以看出，改進(jìn)型1由于在立柱底座兩邊加了4個(gè)斜筋板，各階振型均有所提高，影響立柱動(dòng)態(tài)特性的主要因素是立柱的第一、第二階固有頻率，其中尤其以第一階固有頻率的影響最為明顯，而在本優(yōu)化方案中，一階振型頻率比原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)一階振型頻率提高了約8Hz，表明本優(yōu)化方案效果明顯，有效地提高了一階固有頻率使其更加遠(yuǎn)離能引起立柱共振的驅(qū)動(dòng)電機(jī)頻率。本優(yōu)化方案立柱結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果如圖6-2、6-3、6-4、6-5和6-6所示。圖6-2磨床立柱改進(jìn)型1一階振型圖6-3磨床立柱改進(jìn)型1二階振型圖6-4磨床立柱改進(jìn)型1三階振型圖6-5磨床立柱改進(jìn)型1四階振型圖6-6磨床立柱改進(jìn)型1五階振型6.3.2立柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案二在本方案中，對(duì)立柱中筋板的厚度和寬度均有所加大，其中筋板厚度加厚8mm，筋板寬度加厚20mm（如圖6-7）。在PRO/E中修改原模型，優(yōu)化完畢后導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析，分析計(jì)算后，在通用后處理器中觀察各階振型頻率的變化，本優(yōu)化方案立柱振型頻率結(jié)果如表6-3所示。表6-3磨床立柱改進(jìn)型2各階振型頻率表振型階數(shù)12345振型頻率（Hz）99.76132.75254.71448.21467.30最大變形（mm）1.751.6892.1985.8183.366本優(yōu)化方案立柱結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果如圖6-8、6-9、6-10、6-11和6-12所示。圖6-7磨床立柱改進(jìn)型2有限元模型圖6-8磨床立柱改進(jìn)型2一階振型圖6-9磨床立柱改進(jìn)型2二階振型圖6-10磨床立柱改進(jìn)型2三階振型圖6-11磨床立柱改進(jìn)型2四階振型圖6-12磨床立柱改進(jìn)型2五階振型磨床立柱改進(jìn)型2各階振型頻率與原結(jié)構(gòu)振型頻率的比較表振型階數(shù)12345原有結(jié)構(gòu)振型頻率（Hz）100.74131.60251.04446.99460.80改進(jìn)型2振型頻率（Hz）99.76132.75254.71448.21467.30從磨床立柱結(jié)構(gòu)改進(jìn)型2各階振型頻率與原結(jié)構(gòu)各階振型頻率的比較表中可以看出，除了一階振型無(wú)明顯變化外，2到5階振型均有所提高，在改進(jìn)方案二下第二到五階固有振型頻率均有所提高，但立柱一階固有振型頻率有微小降低，一階振型最大位移變形量也有所降低，不過(guò)固有頻率降低了0.97%，最大位移變形量降低了1.07%,固有頻率降低幅度小于最大位移變形量降低幅度，