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865畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 姓 名：學(xué) 號(hào)：外文出處：Proceedings of the 2009 IEEE International Conference on Information and Automation June 22 -25, 2009, Zhuhai/Macau, China 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 865指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：簽名： 2018 年 3 月 22 日009年IEEE國(guó)際信息和自動(dòng)化會(huì)議論文集2009年6月22日至25日，珠海/澳門，中國(guó)基于有限元分析法的車床床身優(yōu)化設(shè)計(jì)D. Li Y. Guan G. Xu 和 W.Mao摘要：床身是車床的重要組成部分，機(jī)床的性能在很大程度上取決于車床。 因此，車床的優(yōu)化是機(jī)床設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問(wèn)題。 在本文中，我們提出三維建模和有限元分析方法的數(shù)控車床的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 我們使用PRO / E和PRO / MECHANICA來(lái)建立三維建模并優(yōu)化車床結(jié)構(gòu)。 最后的模態(tài)分析表明，所提出的最優(yōu)設(shè)計(jì)是可行的，并且可以產(chǎn)生更好的結(jié)構(gòu)性能。關(guān)鍵詞：車床; 優(yōu)化設(shè)計(jì); 有限元分析; 模態(tài)分析。I. 前言作為車床的支撐部件，床身通常用于放置諸如導(dǎo)軌和主軸箱等重要部件 [1]。 為了滿足計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC ）對(duì)速度，精度，生產(chǎn)率，可靠性和自動(dòng)化程度的高要求，并且與普通車床相比，數(shù)控車床在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)剛度和抗振性方面都有優(yōu)越性 [2]。 由于車床在結(jié)構(gòu)形狀方面的復(fù)雜性很高，所以用傳統(tǒng)方法對(duì)其靜態(tài)/動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行計(jì)算是非常困難的 [3]。隨著有限元理論的成熟和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)建立三維建模和用軟件工具ANSYS進(jìn)行有限元分析來(lái)進(jìn)行靜態(tài)/動(dòng)態(tài)特性分析是一種865廣泛使用的方法 [4]。 但是這種方法很容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，因此需要大量時(shí)間進(jìn)行模型修復(fù)。我們知道PTC公司的軟件Pro/MECHANICA模塊可以對(duì)Pro/ENGINEER模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。本文首先進(jìn)行車床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，Pro/ENGINEER用于建模，然后采用Pro/MECHANICA進(jìn)行有限元分析。結(jié)果表明，有限元分析等措施可用于優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而避免了固有的結(jié)構(gòu)缺陷和缺點(diǎn)。李東梅，廣東天河水利電力工程學(xué)院機(jī)械工程系，廣州510635（電子郵件：lidm@gdsdxy.edu.cn）Y. Guan是華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州天河510640。關(guān)旭和衛(wèi)東茂與南海中南機(jī)械有限公司佛山，廣東，中國(guó)。本文的部分工作得到了粵港技術(shù)合作基金（佛山項(xiàng)目：2008Z009）的支持。II. 確認(rèn)車床結(jié)構(gòu)和尺寸A. 車床的結(jié)構(gòu)和尺寸根據(jù)布局模式，車床可分為直立式車床，斜式車床，基于錐形車床的直立式車床和立式車床。 其中，立式車床具有制造性好，加工容易，切削刀具運(yùn)動(dòng)精度高，對(duì)工件重力承受能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，立式車床是本文采用的研究。B. 車床加強(qiáng)肋的設(shè)計(jì)車床的加強(qiáng)筋屬于三種基本類型。 不同類型的加強(qiáng)肋的組合會(huì)導(dǎo)致不同的機(jī)械性能和不同的車床零件中不同的肋結(jié)構(gòu) [5]。 不同類型的加強(qiáng)筋會(huì)不同程度地影響柔韌性，結(jié)構(gòu)材料，焊縫長(zhǎng)度等方面。由于其載荷不是很好，通用數(shù)控車床的車床不需要太高的抗彎剛度和抗扭剛度。 提供箱式結(jié)構(gòu)時(shí)，床身結(jié)構(gòu)將變得復(fù)雜，從而使得切屑難以逸出，并且僵硬性能比其他類型的布局差。 因此，本文所涉及車床的床身采用厚度為12mm的人字形肋骨。C. 板壁孔的設(shè)計(jì)為了減小車床的尺寸并確保其剛度要求，設(shè)計(jì)了一種板條壁孔結(jié)構(gòu)。 為了確保足夠的剛度，車床對(duì)板條壁孔的形狀，位置和尺寸具有相關(guān)要求。從壓力的角度來(lái)看，車床主要是由垂直向上的力來(lái)強(qiáng)加的， 而且床身不細(xì)，切向應(yīng)力方向不容忽視。在試驗(yàn)中證明，當(dāng)板條壁孔沿垂直于彎曲平面的方向制造時(shí)，結(jié)構(gòu)對(duì)剛度的影響將更大，而不是平行于方向，即結(jié)構(gòu)的影響因?yàn)楫?dāng)平板壁孔沿平行于彎曲平面的方向制造時(shí)，剛度將是最小的。 而對(duì)于施加在車床上的方向上的應(yīng)力，彎曲平面是一個(gè)上行板，因此，板條墻孔應(yīng)該設(shè)計(jì)應(yīng)在上位上。當(dāng)板條孔壁布置在靠866近彎曲中心軸線的位置時(shí)，其對(duì)抗彎剛度的影響將非常小; 并且當(dāng)它遠(yuǎn)離彎曲中心軸線并且靠近邊緣布置時(shí)，沖擊會(huì)更大。 出于這個(gè)原因，板條壁孔應(yīng)布置在彎曲中心軸線附近，從而減弱其對(duì)車床剛度的影響。當(dāng)扭轉(zhuǎn)時(shí)，靠近板條壁孔的剪切應(yīng)力函數(shù)與板條壁孔的形狀相關(guān)聯(lián)。 在對(duì)不同板壁孔進(jìn)行的有限元分析中發(fā)現(xiàn)，棱柱孔是最好的，其次依次是圓孔和矩形。 如圖1所示，本文所用的車床具有棱柱壁板孔。根據(jù)分析，板條孔壁尺寸越大，剛度越弱。 將棱柱壁板孔的寬度和長(zhǎng)度分別設(shè)為W和L，將床身上表面的寬度和長(zhǎng)度分別設(shè)為b和L1，則在測(cè)試中獲得W/b0.4的表達(dá)式，這意味著剛度變得越來(lái)越弱。因此，我們將W/b 的值設(shè)置為0.4，即W的值等于0.4b，在我們的情況下為113.6mm。 最后取113毫米。 通過(guò)分析棱柱壁板孔隙長(zhǎng)度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)該長(zhǎng)度越長(zhǎng)，車床的扭轉(zhuǎn)剛度越弱。 當(dāng)長(zhǎng)度L等于2W時(shí)，扭轉(zhuǎn)變形比大于基于非多孔箱的扭轉(zhuǎn)變形比一半; 當(dāng)長(zhǎng)度L等于5W時(shí)，扭轉(zhuǎn)變形比大于基于非多孔箱的扭轉(zhuǎn)變形比大于一倍。 因此，所獲得的最小比例是L = 2W（即226mm ）。 有三個(gè)均勻分布的孔。圖1：棱柱板壁孔圖2 :法蘭部分截面圖D. 車床與地基連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)床身與基礎(chǔ)之間的連接是一種永久性連接，其主要類型是頜座式，翻邊式和凹入式。頜骨座連接結(jié)構(gòu)的組合部分類型和板條墻具有較差的剛度和較低的接觸剛度。易于施工，卡座式連接結(jié)構(gòu)適用于基于小側(cè)向力的連接。翻邊式連接結(jié)構(gòu)的局部剛度高于卡座式連接結(jié)構(gòu)的剛度1?1.5倍。它具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，但它占據(jù)更大的空間并且不具有好看的外觀。它適用于較大的工件與較大的工件和基座之間的連接。嵌入式連接結(jié)構(gòu)的局部剛度大于連接結(jié)構(gòu)夾爪座式的連接結(jié)構(gòu)的2.5倍?3倍，翻邊式連接結(jié)構(gòu)的剛度大1.5倍以上。它適用于較大的工件與較大的工件和基座之間的連接。它占地面積小，外形美觀。但鑄造很難，因此增加了制造的復(fù)雜性。數(shù)控車床采用鋼鑄結(jié)構(gòu)，焊接性能差。如果采用嵌入式連接結(jié)構(gòu)，鑄造缺陷會(huì)增加制造的復(fù)雜性，從而導(dǎo)致成本增加。如果采用爪式座椅的連接結(jié)構(gòu)，其剛度性能將比其他兩種類型差。 因此，從分析得出的結(jié)論是，翻邊型的連接結(jié)構(gòu)將非常理想。翻邊式結(jié)構(gòu)的參數(shù)包括法蘭寬度b，法蘭厚度k，螺紋直徑d螺孔直線偏心距e，如圖2所示。從上述數(shù)據(jù)中可以獲得車床的輪廓和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖3和圖4所示。867圖3：車床的外形圖圖4：車床的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和尺寸III. 有限元分析A. 車床板條孔壁的有限元分析所謂的有限元分析是一種方將一個(gè)對(duì)象或系統(tǒng)分解為多個(gè)相互連接且獨(dú)立且簡(jiǎn)單的點(diǎn)進(jìn)行分析。在這種分868析在這種分析方法中，點(diǎn)的數(shù)量是有限的，因此稱為有限元 [4]。在完成車床設(shè)計(jì)后利用PRO/E的PRO/MECHANICA模塊對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的有限元分析，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性 [5]。首先，制備具有三個(gè)幾何參數(shù)和壁厚的空心矩形柱，分別為100 * 100 * 300mm和5mm 。在圓柱的相對(duì)兩面上分別制作一個(gè)半徑為20mm的圓窗。通過(guò)模擬車床所承受的應(yīng)力，分別在上表面的兩個(gè)邊緣上施加垂直向下的3000N力。在計(jì)算和分析中發(fā)現(xiàn)該模型的應(yīng)力變形云圖如圖5的5-（ a）所述。然后分別對(duì)矩形窗和棱柱形窗進(jìn)行應(yīng)力變形分析，所述矩形窗和棱柱形窗相對(duì)并且具有與圓形窗的面積相同的面積。之后，我們得到如圖5-（b）和圖 5-（c）所示的最大變形云圖。（a）：圓窗的應(yīng)力云圖（b）：矩形窗口的應(yīng)力云圖（c）：棱鏡窗的應(yīng)力云圖圖5：車床板壁孔的有限元分析從上圖可以看出，當(dāng)圓窗打開(kāi)時(shí)，最大變形量為2.786μm，當(dāng)矩形窗和棱柱形窗打開(kāi)時(shí)，最大變形量分別為2.806μm 和2.743μm 。因此，很明顯，在應(yīng)力恒定的條件下，與選擇任何其他形狀的矩形板條壁孔相比，矩形板條壁孔的選擇可以達(dá)到更好的抗彎曲剛度。通過(guò)這種方式驗(yàn)證，應(yīng)用矩形窗口作為板條壁孔是正確的。當(dāng)在應(yīng)力表面上制作車床窗口時(shí)，所述三種形狀的板條孔壁的應(yīng)力變形云圖如圖6所示。根據(jù)圖6，最大的變形當(dāng)一個(gè)圓窗，一個(gè)矩形窗和一個(gè)棱鏡打開(kāi)時(shí)，模型分別為2.694μm，2.6912 μm和2.6911μm。因此，對(duì)于形變，窗口形狀對(duì)車床的剛度影響不大。盡管如此，在設(shè)計(jì)中選擇一個(gè)產(chǎn)生非常小的沖擊的矩形窗口作為車床的變形窗口。圖6 ：Epiplastron窗的變形云圖B. 車床肋板的有限元分析車床的羅紋結(jié)構(gòu)差異很大。 現(xiàn)在我們分別做一個(gè)縱向縱向加強(qiáng)筋，一個(gè)垂直橫向加強(qiáng)筋，一個(gè)垂直筋性筋和一個(gè)人字形筋作為比較。 首先，制備幾何尺寸和壁厚分別為100 * 100 * 500mm和5mm的空心矩形柱。 立柱內(nèi)部分別填充需要檢定的三種肋骨結(jié)構(gòu)，肋骨的厚度均勻?yàn)?0mm。 為了限制固定模型的兩個(gè)端面，通過(guò)模擬車床的應(yīng)力，分別在上表面的兩個(gè)邊緣上施加垂直向下的3000N 力。 經(jīng)計(jì)算和分析發(fā)現(xiàn)，該模型的四種加強(qiáng)肋布置的應(yīng)力變形云圖如圖7所示。869圖7：各種肋板結(jié)構(gòu)布局的變形云紋圖從上圖可以看出，（左上）縱向肋板結(jié)構(gòu)模型的最大變形為9.07μm;（左下）人字形肋板結(jié)構(gòu)的模型為7.46μ m;（右上）垂直橫肋板結(jié)構(gòu)的模型為7.88μm;（右下）草紋肋板結(jié)構(gòu)的模型為 6.01μm。 因此，很明顯，車床的人字形肋板結(jié)構(gòu)的抗彎剛度較好比純粹豎直橫肋板結(jié)構(gòu)和純豎肋板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要低，870但低于由橫肋板和豎肋板組合而成的草紋肋板結(jié)構(gòu)。 盡管如此，帶有人字形肋板結(jié)構(gòu)的模型比具有草字肋板結(jié)構(gòu)的模型可以節(jié)省大量材料。 表1中給出了應(yīng)用前述兩種肋板結(jié)構(gòu)時(shí)模型的重量。從表中可以看出，人字形肋板結(jié)構(gòu)的肋的重量比肋的重量要輕草紋肋板結(jié)構(gòu)1.25kg。 因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中選擇了人字形肋板結(jié)構(gòu)，以滿足減少車床重量的要求。表格1臍帶重量與草紋性能的比較表標(biāo)題 人字形肋骨 草字符肋骨重量（kg） 4.137 5.387IV. 車床的模態(tài)分析模態(tài)分析事實(shí)上，車床在運(yùn)行中存在不穩(wěn)定性和振動(dòng)，有必要對(duì)車床進(jìn)行模態(tài)分析，以減少車床的振動(dòng)，保證車床的穩(wěn)定性并提高加工零件的精度。采用車床模態(tài)分析來(lái)確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)械零件的振動(dòng)特征。振動(dòng)特征是設(shè)計(jì)承受動(dòng)載荷的結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)。模態(tài)分析的主要任務(wù)是研究無(wú)阻尼系統(tǒng)的自由振動(dòng)，特別是結(jié)構(gòu)的固有頻率，從而使設(shè)計(jì)人員能夠避開(kāi)這些頻率或?qū)⑵浣档偷阶钚?，并最終消除過(guò)度嚴(yán)重的振動(dòng)或噪音[8]。模態(tài)分析主要起到三方面的作用：一是保持結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離共振或特定頻率; 其次，使我們能夠了解結(jié)構(gòu)對(duì)不同類型動(dòng)態(tài)載荷的影響; 第三，促進(jìn)一些控制參數(shù)的估計(jì)和求解，例如其他動(dòng)力學(xué)分析中的時(shí)間步長(zhǎng)。 在很多場(chǎng)合，模態(tài)分析起著至關(guān)重要的作用。 例如，許多機(jī)器需要避免共振。 模態(tài)分析使我們能夠了解結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率和振動(dòng)模式，以便采取必要的措施來(lái)避免由共振引起的不必要的能量損失。 結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性決定了其對(duì)各種動(dòng)態(tài)載荷的響應(yīng)條件。動(dòng)態(tài)分析過(guò)程在定義材料屬性時(shí)，在Pro/MECHANICA的“結(jié)構(gòu)”中選擇“模型”，然后選擇“材料”并且選中材料并按“編輯”編輯。 對(duì)于以前選用的HT300材料，其密度，彈性模量和泊松比分別為7.3e-9tonne/mm3，2e + 11N/m2和0.3。然后上述信息可用于定義材料屬性 [9]。為了獲得可信的結(jié)果，本文選擇了多通道自適應(yīng)方法來(lái)檢驗(yàn)收斂性。 在相同的任務(wù)下，多通道自適應(yīng)方式將實(shí)現(xiàn)不同通道的比較，從而判斷是否需要更高的計(jì)算順序。多通道自適應(yīng)方式可以提供一個(gè)收斂曲線來(lái)控制分析質(zhì)量，并設(shè)定敏感區(qū)的收斂性 [10]。 分析結(jié)果如圖8所示。(a) 一階振動(dòng)模式：頻率479.02Hz(b) 振動(dòng)的二階模式：頻率為06.58Hz(c) 三階振型：頻率554.65Hz(d) 四階振動(dòng)模式：頻率737.20Hz圖8 Pro / M分析中的一階至四階振動(dòng)模式根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在800Hz范圍內(nèi)，車床的頻率為四階，所有固有頻率都在450Hz以上，遠(yuǎn)高于正常工作頻率。因此，床身的剛性，抗振性和加工穩(wěn)定性良好，從而確保了傳動(dòng)精度和加工精度。觀察上圖顯示的振動(dòng)模式后，我們可以得到以下信息：一階振動(dòng)模式如下：床身中段沿Y軸擺動(dòng); 車床頭托架的箱頂沿Z軸的負(fù)方向擺動(dòng); 最大擺動(dòng)發(fā)生在箱頂; 從外到內(nèi)擺動(dòng)變得越來(lái)越小; 而且從中間到兩側(cè)的車床中部的擺動(dòng)變得越來(lái)越小。二階振動(dòng)模式為：車床頭托架的箱頂沿Z軸正方向擺動(dòng)， 最大擺動(dòng)發(fā)生在箱子頂部871在車頭上的支架; 從外到內(nèi)擺動(dòng)變得越來(lái)越小; 車床中部幾乎沒(méi)有振動(dòng)。振動(dòng)的三階模式為：車床中間部分繞Y軸擺動(dòng)，同時(shí)在Y軸上進(jìn)行不規(guī)則的扭轉(zhuǎn)振動(dòng); 車床頭部的托架箱也會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng); 最大擺動(dòng)發(fā)生在車床中部; 從中間到兩側(cè)的波動(dòng)變得越來(lái)越小; 并且從車廂邊緣到車廂內(nèi)側(cè)的車床頭部處的支架上的擺動(dòng)變得越來(lái)越小。當(dāng)固有頻率高于500Hz并接近三階固有頻率時(shí)，可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的振動(dòng)變形，應(yīng)盡可能地避免。四階振型的車床沿X 軸不規(guī)則擺動(dòng); 車頭處托架箱體的上下兩側(cè)向內(nèi)彎曲，左右兩側(cè)向X 軸負(fù)方向擺動(dòng)，最大擺動(dòng)發(fā)生在車床頭部的箱形支架上。V. 結(jié)論在本文中，我們分析了一個(gè)數(shù)控車床結(jié)構(gòu)，并采用三維建模軟件PRO/E來(lái)建立數(shù)控車床的建模。我們利用PRO/MECHANICA模塊對(duì)車床結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析。分析結(jié)果表明，車床結(jié)構(gòu)合理，剛度好，重量輕。通過(guò)模態(tài)分析計(jì)算了床身前四階振動(dòng)的固有頻率和振型，分析了動(dòng)態(tài)特性，找出了薄弱部位，有利于改進(jìn)車床的設(shè)計(jì)。參考[1] 車 床 設(shè) 計(jì) 手 冊(cè) （ 第 2冊(cè) ） ， 由 負(fù) 責(zé) 編 制 車 床 設(shè) 計(jì) 手 冊(cè) 的團(tuán) 隊(duì) 編 輯 ， 北 京 ， 中國(guó)機(jī)械出版社，1979[2] 畢 承 恩 ， 現(xiàn) 代 數(shù) 控 車 床 ， 北 京 ， 中 國(guó) 機(jī) 械 出 版 社 ，1993[3] 郭 志 權(quán) ， 許 延 申 ， 張 雪 玲 ， 等 基 于 加 工 中 心 柱 有 限 元分 析 的 結(jié) 構(gòu) 靜 力 學(xué) 與 動(dòng) 力 學(xué) 設(shè) 計(jì) 研 究 ， 機(jī) 械 強(qiáng) 度 雜 志 ，2006,28（ 2） ： 289? 291[4] 唐 國(guó) 興 ， 殷 飛 紅 ， 機(jī) 床 加 工 中 心 XH715機(jī) 床 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì)研 究 ， 制 造 技 術(shù) 與 機(jī) 床 ， 2008， 2： 94? 97[5] 趙 寶 生 ， CNC32數(shù) 控 車 床 設(shè) 計(jì) ， 機(jī) 械 管 理 與 開(kāi) 發(fā) ，2004,4[6] 朱 伯 芳 ， 有 限 元 分 析 的 基 本 原 理 與 應(yīng) 用 ，北 京 ， 中 國(guó) 水 利 出 版 社 ， 1998年[7] 張 繼 春 等 ， Pro / ENGINEER Wildfire結(jié) 構(gòu) 分 析 ， 北 京 ，中 國(guó) 機(jī) 械 出 版 社 ， 2004[8] 理 查 德 道 金 斯 。 自 私 的 基 因 。 牛 津 大 學(xué) 出 版 社 ，1976： 76。872[9] 材 料 力 學(xué) 劉 宏 文 ， 北 京 ， 高 等 教 育 出 版 社 ，1983： 15? 59[10] Toogood R.Pro/MECHANICA教 程 結(jié) 構(gòu) ， 阿 爾 伯 達(dá) 省 ：阿 爾 伯 塔 大 學(xué) ， 2000年