机械制造专业_毕业设计_小型龙门加工中心基础件设计与受力分析(ANSYS模态分析)

第一章概述

1.1课题研究的背景及意义

机床是现代制造技术的工作母机，在某种意义上，一个国家机床设计和制造水平的高低，决定着这个国家整个制造业水平的高低。在信息革命的推动下，现代工业技术发展迅猛。近年来，各国在信息工业，航空航天工业，军事工业，电子工业，能源工业等领域竞争日益激烈。随着这些高科技领域日益向高速、高效、精密、轻量化和自动化的方向发展，对机床的要求也越来越高。现代机床正向高速、大功率、高精度的方向发展。随着机床向高速度、大功率和高精度方向的发展，除了要求机床重量轻、成本低、使用方便和具有良好的工艺性能以外，而着重要求机床具有愈来愈高的加工性能。而机床的加工性能又与其动态特性紧密相关。事实表明，随着机床的加工精度的不断提高，对机床动态特性的要求也愈来愈高。

多年来，由于受到理论分析和测试实验手段落后的限制，机床结构的设计计算主要沿用传统的结构强度为主的设计方法。传统设计方法主要是保证刀具和工件间具有一定的相对运动关系和满足机床几何精度要求，采用经验和类比的方法进行，设计的主要依据是静刚度和静强度，对机床的动态性能考虑较少。在利用传统方法进行机床结构的设计计算时，因为不能准确地把握机床结构与其动态特性之间量的关系，所以结构设计的结果常常是以较大的安全系数加强机床结构。这样的设计方法容易导致机床结构尺寸和重量的加大;其结果一则不能很好发挥材料的潜力，二来机床结构的动态性能也不会有根本的改进提高。所以，后来科研工作者对机床的动态特性、切削稳定性进行了大量的研究工作，最初是以实物或模型为基础，进行机床性能试验，从中发现规律，分析影响机床动态性能的主要原因，寻求解决问题的方法，处于弄清机理，说明现象的定性阶段。从二十世纪六十年代中期以来，由于计算机技术、振动理论和结构动力学理论等的发展，为机床的动态性能研究提供了坚实的理论基础和先进的测试手段，使研究进入一个全新的计算机辅助分析和优化设计的定量研究阶段，系统地建立了机床动态特性的研究理论，达到了一定的实用程度，并在不断地深化和发展。1.2我国基础件现状

基础件是机床的重要组成部分。我的国对机械基础件在机械工业中的重要地位认识较晚，长期投入乏力，致使整个行业基础差、底子薄、实力弱。随着我国主机水平的提高，机械基础件落后于主机的瓶颈现象日益显现。近年来，虽然在技术引进、技术改造、科研开发等方面，国家给予了一定的支持，但与当前市场需求及国外水平相比，仍有不少差距。具体表现在以下几个方面：

一、产品品种少，水平低，质量不稳定，早期故障率高，可靠性差。我国机械基础件产品品种、规格少，特别是高档产品差距较大，不能满足主机日益发展的需求。目前，各类主机基础件的性能指标大体相当于国外20世纪80年代水平。质量不稳定，早期故障率高，可靠性差，是基础件的致命弱点。因此，不少主机厂为提高其主机的市场竞争力，往往选择进口基础件配套。因而，国产基础件，特别是技术含量较低的产品，国内市场占有率在明显下降。虽然基础件产品出口有明显优势，但主要是劳动密集型产品，数量大，价值低，技术附加值不高。

二、重复建设严重，专业化程度低，形不成规模，经济效益差。机械基础件与主机相比，企业建立的初始资金和技术所需投入相对较少，因此在国家几次经济大发展时期，都增加了一批基础件生产企业。行业中已呈现大量的低水平重复建设，点多、批量小，形不成经济规模。基础件企业虽然逐渐独立于主机厂，但大多数企业本身就是“大而全”、“小而全”，专业化程度低，装备水平不高，质量不稳定，经济效益低下。例如，轴承行业哈轴、瓦轴、洛轴三家大型骨干企业年产轴承的总和还不到国外一家著名公司的50％，现在全国轴承厂

已发展到1500多家。近两年来，我国已建成90多个液压件厂，年产液压件338．24万件，平均每个厂生产3．72万件，年产30万件以上的厂家只有2～3家，其主要产品为农机用中小型模数的齿轮泵。而德国力士乐公司年产各种液压件产品130万件，日本油研（株）年产60万件以上。粉末冶金制品行业，日本住友电工（株）年产粉末冶金零件2．4万t，年销售额2亿美元，人均销售额约255万元，而我国的粉末冶金制品厂人均销售额仅为7．6万元左右。工业发达国家模具企业人均产值约15万～20万美元，我国只有4万～5万元人民币。近年来，随着多种所有制共同发展政策的落实，基础件行业正经历着由分散到逐渐集中的集约化发展过程。

三、科研开发力量薄弱，资金投入不足，技术进步缓慢。改革开放以来，基础件各行业在20世纪70年代末、80年代初较早地引进了一批国外先进技术，但对消化吸收缺乏足够的软、硬件投入。据国外经验，引进技术与消化吸收所需资金的比例约为1∶7，而我国对此认识较晚，故使消化吸收较慢。

市场竞争实际上是技术实力的较量。国外对此极为重视，纷纷加大投入，占领技术的制高点。各大著名跨国公司用于科技开发的资金均占其销售额的4％～5％，重点领域达10％。而我国虽然政策规定可以提取销售额的1％用于企业的科研开发，但各厂大都无力支付且人才流失，后继乏人，开发能力差。目前，我国虽然有不少高等院校从事科研工作，不少理论研究、科研成果、专利论文均有相当高的水平，有些在国际上的知名度很高，但与生产实际结合的不紧，特别是转化成商品的速度慢。

总之，为提高我国机械基础件市场的竞争能力，更好地满足我国机械工业各主机行业技术进步对国产配套基础件的需要，要本着有所为有所不为和有进有退的原则，加大行业战略性调整力度。在今后的5～10年中，要在发展品牌产品及名牌企业、开展技术创新、提高国内外市场竞争能力和加强集约化经营等方面力争有较大的进展和突破。

差距形成的主要原因有以下几点：

一、企业基础薄弱，适应不了形势的发展。由于我国机械基础件行业基础差，底子薄，科技投入少，开发力量薄弱，不能适应主机行业引进、合资、合作、快速发展的需要，导致机械基础件国内市场占有率有所下降。

二、原材料及其相关技术落后。机械基础件产品质量差的一个重要原因是原材料质量差及其相关技术落后造成的。例如：轴承、紧固件、链条、弹簧、模具等产品所使用的钢材质量差、品种规格少，直接影响了基础件产品的质量，又如液压件铸件以及与液压件产品质量相关的电控技术落后，也直接影响液压件质量和可靠性。

三、工艺及工艺装备水平低，不能保证产品质量的一致性。机械基础件一般都是成批、大量生产的产品，也有多品种、加工精度要求高的产品，因此对生产工艺及其装备要求高，投资大。国外多采用高效高精度的专机、生产线或柔性线，实现高效自动化生产。但是我国的机械基础件行业受长期以来形成的“重主机、轻配套”的思想影响，对基础件的投入力度不大，企业自我改造能力差，基本上都是在低水平的状态下运行，工艺和工艺装备水平不高，先进设备少又不配套，不能保证产品质量的一致性，影响产品质量上档次。

四、国家缺乏对机械基础件行业有力的政策支持。虽然国家在产业政策方面，明确了重点支持重要的机械基础件（模具、轴承、液压、气动、密封件等），但缺少相应的配套政策的支持，如模具行业的税负过重，享受增值税部分返还的企业，全国只有不到百家，面太窄，作用有限，还需要政策继续支持等。我的题目是对小型龙门加工中心的基础件进行设计与受力分析。

第二章有限单元法基本原理与ANSYS软件简介

2.1有限单元法基本原理

有限元法是根据变分原理求解数理方程的一种数值计算方法，是一种解决工程实际问题有力的数值计算工具。它是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机地结合起来的数值分析技术。有限元法将求解区域看成由许多小的在节点处互相连接的单元构成，其模型给出基本方程的子域近似解。有限元法把零件划分成大量的足够小的单元，利用插值多项式将欲求的参数(温度或位移)在单元内的变化用单元节点上的该参数表示出来。用这种离散的模型来近似表示在物体内连续变化的待求参数，再根据变分原理或最小位能原理解得各节点的欲求参数值，可得出各单元的温度或应力。由于单元子域可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件。鉴于有限元法能比较准确地描述零件的实际形状、约束条件和受力特征，同时能够应用于解决连续体力学的各类问题，使得有限元方法成为结构分析中必不可少的工具及工程计算的有效方法。

虽然有限法提法首次由Clough于 1960年提出，但有限元分析的概念却可以追溯到20世纪40年代。1943年，Courant将定义在三角形区域上的分片连续函数，利用最小势能原理研究了 ST.Venant的扭转问题。然而在这方面发展缓慢，十年后才有人再次应用这些离散化的概念。1956年Turner.Clough，Martin和Topp等人第一次给出了用三角形单元求得平面力问题的经典正解，他们利用弹性理论的方程求出了三角单元的特性，并第一次介绍了今天人们熟知的确定单元特性的直接刚度法。他们的研究工作连同当时出现的数字计算机一起开创了求解复杂平面弹性问题的新局面。

1960年clough进一步处理了平面弹性问题后，人们开始认识到有限元法的在工程分析中的方便性，此后有限元法在工程界获得了广泛的应用。随着计算机技术和计算技术的发展，有限元法也于20世纪70年代迅速发展起来，此间发表了大量的论文，学术交流频繁，期刊、专著不断出现，这些都对有限元法进行了全面而深刻的研究，可以说进入了有限元法发展的鼎盛时期。涉及的内容有:有限元法在数学和力学领域所依据的理论;单元的划分原则，形状函数的选取及协调性;有限元法所涉及的各种数值计算方法及其误差、收敛性和稳定性;计算机程序设计技术;向其它各个领域的推广等等。

龙门加工中心床身的动态特性分析与优化到目前为止，有限元法己经在固体力学、流体力学、热传导、电磁学、声学、生物力学等各个领域得到广泛应用。如能求解由杆、梁、板、壳、块体等各类单元构成的弹性(线形和非线形)、弹塑性或塑性问题(包括静力和动力问题);能求解各类场分布问题;还能求解水流管路、电路、润滑、噪声以及固体、流体、温度相互作用等问题。

2.2ANSYS软件的组成及其特点

目前常用的有限元分析软件有:ANSYS，NASTRAN，MARC，SAP， ALGOR，ADINA等。其中ANSYS具有功能比较强大、操作方便、硬件适应性较好，与常用的CAD软件具有良好的接口等优点，是本文的主要建模和分析处理工具。

本文所用软件平台为ANSYS10.O程序，该软件是由美国匹兹堡大学著名力学教授Dr.John Swanson博士主持开发，由Swanson Analysis System Inc.CSASI公司发行的大型通用有限元分析软件应用ANSYS程序，典型的有限元分析工作分为三个阶段:

l、前处理阶段

前处理是指创建实体模型及有限元模型。它包括创建实体模型，定义单元属性，划分网格，模型修正等几项内容。现今大部分的有限元分析模型都是用实体模型建模，类似于CAD。在ANSYS分析中除了磁场分析以外，用户不需要告诉ANSYS使用的是什么单位制，只需要自

己决定使用何种单位制，然后确保所有输入值的单位制保持统一，单位制不同影响输入的实体模型尺寸、材料属性、实常数以及载荷等。ANSYS单元库有100多种单元类型。在结构分析中，结构的应力状态决定单元的类型。在能够获得预期的结果的前提下，应该选择维数低的单元，即尽量做到能选择点而不选择线，能选择线而不选择平面，能选择平面而不选择壳，能选择壳而不选择三维实体。对于复杂结构，应当考虑建立两个或者更多的不同复杂程度的模型。在进行单元选择的时候还应考虑线性单元的扭曲变形可能引起精度损失，高阶的单元对这种扭曲变形不敏感;就求解精度的差别来讲，线性单元和二次单元网格之间的差别远没有平面单元和三维实体单元网格之间的差别大。ANSYS网格划分中有许多不同的单元尺寸控制方式:“ smartingsizing”总体单元尺寸、指定线上的单元分割数及间距控制等。有限元方法为数值近似计算方法，当网格密度越密集时，计算结果一般越能收敛于精确解。密网格在多数情况下可以获得更精确的结果，但有时如果当前网格密度的求解结果已经非常接近理论解，再次加密网格对计算精度提高意义不大。

2、加载和求解阶段

ANSYS中的载荷可分为5种方式，求解前ANSYS都将载荷转化到有限元硕士学位论文模型上。因此，加载到实体的载荷将自动转化到所属的节点或单元上。加载完成以后，需要选择求解器。求解器的功能是求解关于结构自由度的联立线性方程组，这个过程可能需要花费几秒钟(1000个自由度)到几个小时或者是几天(100000一1000000自由度)，基本上取决于所用计算机的速度。对于简单分析，可能需要一、两次求解;对于复杂的瞬态或非线性分析，可能需要进行几十次、几百次甚至几千次求解。

在求解进行之前，还应进行分析数据的检查。在求解过程中，当求解发生奇异时，直接求解器会发出相应的警告或错误信息，在线性求解过程中，此种问题多是由于单元形状不好而引起的，在非线性求解时，除单元形态外，还会意味着求解发散。

3、后处理阶段(查看结果)

ANSYS提供两个后处理器:

(1)通用后处理器，即“POSTI”，只能观看整个模型在某一时刻的结果。

(2)时间一历程后处理器即“POST26”，可观看模型在不同时间段或子步历程上的结果，常用于处理瞬态或动力分析结果。使用“POSTI”能观看整个模型在某一时刻的结果。而使用“ POST26”可以比较一个ANSYS变量对另一个变量的关系，例如可以用图形表示某一节点处的位移与对应的所加载荷的关系，或者某一节点处应变和对应的时间值之间的关系。在有限元分析中最为重要的步骤无疑是验证分析的结果。在开始任何分析以前，应该至少对分析的结果有粗略的估计。如果与预期的不一样，应该研究差别的原因。

2.3 ANSYS有限元模型生成方法简介

有限元分析必须是针对一个物理模型准确的数学模型。有限元模型，广义上包括所有的节点、单元、材料属性、实常数、边界条件，以及其它用来表现这个物理系统的特征;狭义上指用节点和单元表示空间体域及实际系统连接的生成过程。ANSYS提供的生成模型的方法有:①创建实体模型;②直接生成模型;③输入由计算机辅助设计辅助系统创建的模型。

下面对上述建模方法的特点及其应用情况作简要的介绍:

1、实体建模:即在ANSYS中通过关键点、线、面、体等要素先建立系统结构的几何外型，再对实体模型进行网格划分，创建有限元模型。

其优点有:

(l)适用于较复杂三维实体模型，支持使用止面、体素以及布尔操作;

(2)需要处理的数据相对较少，便于几何模型上的改进;

(3)便于改变单元类型，不受分析模型的限制;精密机床床身的动态特性分析与优化

(4)便于使用ANSYS程序的优化设计功能(OPT)和自适用网格划分(ADAPT);便于施加载

荷之后进行局部网格细化。

缺点有:

(l)有时需要大量的CPU处理时间;

(2)模型的建立很繁琐，比直接生成法需要更多的数据;

2、直接建模:即直接按照系统结构的几何外形建立节点和单元。

优点有:

(l)对小型或简单模型的生成较方便;

(2)使用户对几何形状及每个节点和单元的编号做到完全的控制。

缺点有:

(l)除简单的模型外往往比较费时，需要处理大量的数据;

(2)不能用自适应网格划分;

(3)改进网格划分时十分困难;

(4)需要用户留意网格划分的每一个细节，十分乏味而且容易出错。

3、从CAD系统输入实体模型:即在用户擅长的CAD系统中创建几何模型，基于IGES或STEP等中性文件格式把模型数据输入ANSYS中进行分析。

优点有:

(l)避免对现有CAD模型的重复劳动而生成待分析的实体模型;

(2)工程师可利用熟悉的工具去建模，尤其对于复杂的模型，CAD建模比在ANSYS中更为方便和简单。

缺点有:

(1)目前CAD/CAE软件之间模型的通用性较差，在导入过程中经常发生部分模型数据丢失的情况;

(2)完整的几何信息的提取和模型重建比较复杂，从CAD系统中输入的模型若不适用网格划分则需要大量的几何修补、简化与拓扑修补工作。

第三章机床的动态分析的研究现状

3.1机床的加工性能与动态特性

现代制造技术的发展，要求机床具有越来越好的加工性能。机床的加工性能包括其加工质量和切削效率两个重要方面，通常用被加工零件能达到的最高精度和表面粗糙度来评定机床的加工质量，用金属切除率或切削用量的最大极限值来评定机床的切削效率。而机床的加工性能又与其动态性能密切相关，事实证明，随着机床加工性能的不断提高，对机床动态性能的要求也愈来愈高。

1、加工质量与抗振性

机床的加工质量不仅取决于机床的制造误差、弹性变形、热变形和摩损等因素，而且还决定于机床所产生的振动。从被加工的零件的形成过程知道，如果机床切削时，刀具与工件沿着预定的轨迹作相对运动，则能得到所希望的工件形状。但是，在实际切削时，来自切削过程、机床传动系统以及机床外界的各种力，将作用在机床一工件一刀具的弹性系统上，其中的静态力引起弹性变们之间的正确位置关系，并在加工表面上留下振纹，从而降低了被加工零件的精确度和光洁度。

采取措施有效地控制各种动态力的产生或使其减小，只是提高机床加工质量的一个方面。更重要的是提高其抗振性，使机床在各种动态力的作用下，刀具和工件的相对振动量能控制在加工质量所允许的范围之内。在相同激振力作用下，机床产生的振动愈小，表示其抵抗受迫振动的能力愈好，亦即抗振性愈好。

2、切削效率与稳定性

机床的切削效率往往不是由机床的功率、机床所能承受的最大载荷所决定，而是由机床切削时发生自激振动的条件所决定。这是因为切削过程的自激振动，破坏了切削过程的稳定性，不仅不能满足加工质量的要求，而且切削也难以继续进行。为了使切削能在保证加工质量的条件下顺利进行，就不得不降低切削用量，从而限制了机床性能的充分发挥，降低了切削效率。因此，为提高机床的切削效率，就应使机床在额定功率范围内应用时，都不会产生切削自激振动。也就是说，要求机床具有足够的切削稳定性。

机床在匀速运动状态下受到干扰后，如果能恢复到原来的运动状态，表示机床的运动是稳定的，如果不能回到原来的运动状态而产生振动，则机床的运动是不稳定的。机床的稳定性除了上述切削稳定性外，还包括其运动稳定性。机床运动稳定性的好坏，用机床抵抗其传动系统中出现自激振动的能力来表示。

综上所述，要提高机床的加工性能，从动力学的角度出发，就应提高其动力性能，使机床的振动量控制在满足加工性能所允许的范围之内，使机床在额定功率范围内使用时，都不会发生切削自激振动，做到在保证加工质量的前提下，充分发挥机床的切削效率。如何提高机床的动态性能，是机床动力学的重要课题。

3.2动态性能与振动

机床的动态性能是指机床运转之后振动、噪声、热变形与磨损等性能的总称。但长期以来主要指的是机床的振动性能，即主要指机床抵抗振动的能力。机床振动是加工过程中不可避免的，它不仅使工件和刀具的相对位置发生变化，影响加工精度，而且加速了刀具的磨损，进一步影响了加工精度，同时还产生污染环境的噪声。研究表明，机床的加工质量在很大程度上取决于机床所产生的振动。特别是高速、高精度的机床，振动对其影响尤其明显。因此，机床振动是机床动态特性研究的首要问题。机床的振动按其产生的原因可分为自由振动、受迫振动和自激振动。要提高机床的动态性能，简单得说，就是提高机床抵抗振动受迫

振动和自激振动的能力，是机床的振动量控制在满足加工性能所允许的范围之内。

3.3动态性能的研究内容

机床动态性能的研究包括动力分析和动力设计两个部分。

1、动力分析

动力分析指在已知系统的动力模型，外部激励和系统工作条件的基础上分析研究系统的动态特性，主要包括固有特性、动力响应和动力稳定性等。

(l)固有特性问题:对于复杂的系统，其固有特性包括各阶固有频率、模态振型等。计算系统的固有特性，一方面避免系统工作时发生共振，另一方面是为系统作进一步的动力分析打下基础。

(2)动力响应问题对机床来说，振动系统在外部激励的作用下，振动响应可能引起过大的动态位移，影响机床的加工质量和正常工作，产生过大的噪声。因此，计算机床精密机床床身的动态特性分析与优化对各种可能受到的激振力的动力响应，将它控制在一定的范围之内，是机床动力分析的基本任务。

(3)动力稳定性问题，振动系统在一定的条件和运转状态下，可能产生自激振动。自激振动主要有系统本身的动力特性所决定的振动。产生自激振动的系统称为不稳定系统。机床在一定的切屑条件下，可能产生切削颤振;低速相对运动在一定条件下，有可能产生爬行想象。这对机床的危害极大。机床动力稳定性分析的目的就是确定产生切削颤振和爬行的临界条件，保证机床能在充分发挥其性能的条件下正常工作而不出现这种振动。

2、机床的动态设计

机床的动态设计，指的是机床的动态性能在其图纸设计阶段就能得到预测和优化，从而寻求一种经济合理的结构，使其动态性能满足预先给定的设计要求。这是一项综合性的新技术，涉及到众多的学科，其中包括:CAD/CAE、计算机图形学、振动理论、有限元、振动测试技术等，是至今仍在不断的发展和完善的理论和实践相结合的应用科学。动态设计的一般过程为，设计者根据机床结构应满足的设计要求，从系统所包括的零部件出发，依据一定的数学理论，建立系统的数学模型;然后利用计算机对系统的动力特性进行仿真，通过仿真结果的分析，检验是否满足设计要求，不满足则修改设计模型并完成相应的动力分析，反复进行直到获得满意的数学模型;接下来按这个模型作出相应的具体结构设计，并检验是否满足设计要求，不满足则修改具体结构，反复进行直到获得满意的具体结构设计为止。因此，动态设计是一个反复修改的过程，在设计过程中需要反复进行综合和分析。我们常称动力分析为动力学的“正”问题，而动态设计为动力学的“逆”问题。从动力分析的观点来看，是根据一个给定的系统建立其力学模型，在建立数学模型，然后通过计算机仿真完成系统的性能分析。从动态设计的观点来看，则是从设计的要求出发，先设计出数学模型，并在进行具体设计之前通过计算机仿真完成详尽的性能分析。可见，动态设计是比动力分析更为复杂的问题，因此，尽管理论上已经提出了一些动态设计的方法，但目前大多数仍将动态设计问题转化为动力分析问题来处理。也就是说。目前针对机床一般的动态设计是这样的，首先根据经验和各方面的设计要求拟出原始的设计方案:然后，按这个原始设计建立其动力学模型，并建立基于此动力学模型的数学模型，通过计算机仿真进行动力分析;根据分析结果和设计要求的偏离，修改原始设计;又按修改后的设计进行动力分析，预测其动态性能;再修改、再分析，直到获得满意设计要求的具体设计方案为止。

3.4动态性能的研究方法

现阶段，机床的动态特性的研究方法主要有三类:即理论建模及其分析方法、试验建模及其分析方法和二者相结合的方法阵。理论建模及分析方法是基于结构动力学原理，根据结构的设计方案、图纸和资料等建立起来能模拟机床动态特性的有限元动力模型而无需依赖已有的机械设备。通过对给动力学模型的分析计算，即可获得该机构的模拟的动态特性。从而

可以检验动态特性是否满足设计目标，是否需要对机构进行修改。还可以对理论模型进行计算机仿真，并对设计模型进行反复的比较、修改，使其动态特性逼近设计目标函数的要求。从而可经济、迅速地达到优化设计的目标，把提高机床的动态特性的问题解决在方案及图纸设计阶段，这是该方法的最突出的优点。该方法的缺点是对结构、各接合面连续条件、阻尼假设、各边界条件的近视及简化，以及近似计算所带来的误差，影响了所建立有限元模型的模拟精度，从而也是影响了其动态特性的模拟精度。

实验建模又称为系统辨识，是通过观测到的系统的输入、输出数据，对系统确定一个数学模型，使这个数学模型尽可能精确的反应系统的动态特性。由于该方法对现有设备的典型工况进行动态试验建模，所以避免了结构、各结合部连续条件、阻尼假设、各种边界条件的近似及简化，以及近似计算带来的误差，故所得模型与实际工况有较高精度的吻合，因而模型及其动态特性对机床的模拟精度都较高，这是该方法的最突出的优点。该方法的不足之处是:需要对现有机床进行动态试验，需要有动态试验所需的激励、测试、信号分析及数据处理的设备和系统，因而投资较大;由于动态试验及信号分析数据处理过程中都要受到各种随机噪声的干扰，测试仪器误差，各种信号变换误差，从而给动态性能带来了一定的误差。

人们将有限元法理论建模和试验建模有机地结合起来得到一种理想的方法—综合建模。综合建模是将有限元技术和模态分析技术有机的结合起来，发挥各自的长处，以得到能确切反映实际，实用的动态特性分析技术。利用测试得到的较准确的模态参数来修正理论模型，使修正后的理论模型能够确切地模拟结构的动力特性，在这样的动力学模型基础上进行分析和优化设计，就能够充分发挥理论分析的作用。

3.5课题的主要研究内容和方法

本文分析加工中心12610床身和工作台的动态静态特性，并对其进行结构优化设计，达到提高其静态特性、动态性能、节约材料和降低生产成本的目的。

论文主要包括以下几个方面的研究内容:

1、对12610的床身与工作台进行理论和三维实体建模，模型建立的准确程度将

直接影响到床身的动态分析。

2、运用ANSYS软件对床身进行静态动态性能分析，本文主要进行模态分析。

3、运用有限元分析软件ANSYS对床身进行结构优化设计，提出床身的优化方案。

3.6本章小结

本章介绍了床身动态分析的理论基础知识加工中心动态性能研究的主要背景及意义，阐述了机床床身动态性能的研究方法、研究内容和研究现状。并介绍了本课题的研究内容和研究方法，阐述了有限元单元法的发展概况，为其在下面几章的运用打下了基础。

第四章工作台设计

4.1对工作台的功能要求

工作台在加工中心中属于机床支承大件。它是其他零、部件赖以连接、固定和运动的基础。作为支持工件的工作台，决定了龙门加工中心的整体功能。为了实现龙门加工中心的整体功能，对工作台的功能要求，见表１。

表1 龙门加工中心工作台的功能要求

龙门加工中心工作

台

技术经济要求

1、尺寸容量根据任务书中的条件，加工范围为1.2m*1.6m，所以工作台暂定

为1.3m*1.7m。

2、性能要求1、静刚度要高，在承受最大载荷时，变形量不超过规定值。

2、动刚度要好，在预定的切削条件下工作时，其振动和噪声应在允

许范围内。

3、技术及经济效率1、保证操作者在最安全和最方便的情况下进行机床调整和操作。

2、保证机床维护与修理具有满意的条件，易于安全运输和装卸。

3、结构的总重量与元件重量的分布，要满足技术和经济要求，并能

低成本、高效率地进行制造和安装。

4、外观造型要求考虑到多的人机关系和时代的审美要求。现代科学和工艺的高速

发展，机床产品的造型情趣，一般崇尚明快、简洁、俊秀的直线方角

型，提倡“古典魅力”与现代造型和技术的巧妙揉合，以突出独立自

主的、有自我个性的造型情趣。

4.2工作台的结构特征

4.2.1工作台形体结构特征

工作台的结构有两个特征：从形体上看，是空间板系结构；从载荷上看，是空间力系的载体。见表2。

表2 龙门加工中心工作台的结构特征

结构特征简要说明

1、空间板系组合结

构

龙门加工中心立柱部件属于空间板系组合结构。是由板等元件构成的。

2、空间力系载体加工中心在静态和动态中可能产生的各种作用力，直接或间接的

由工作台来承受。它们有：

1、切削力，指F x——进给抗力；F y——吃刀抗力；F z——主切削力。

2、重力，指工件及加工中心重量。

3、夹紧力，指连接大件和移动部件间的连接力。

4、惯性力。

5、冲击或振动干扰力（外加激振力）。

6、热应力。

4.2.2工作台结构工艺性特征

根据任务书要求，此加工中心是小型机床，再考虑到市场适应性，首先把复合结构排出。同时，任务书中指出，加工中心的定位精度为0.003mm，通过考查，属于较高精度机床，固然焊接结构符合精密、高精度的要求，但是在实际的生产中，我国的钢板与型钢加工质量

尚不易达到要求，很难完成产品的精密与高精密的要求，出于成本的考虑，选择铸造结构既能满足加工要求，同样经济实惠。

表3 机床大件的结构工艺性特征

结构工艺类别材料生产方法周期经济性原则市场适应

性

生产规模产品类型产品精度

铸造结构灰铸铁铸造工艺长大、中批量中、小型普通、精

密

一般

焊接结构钢板与型

钢焊接工艺短单件、小批大、中型精密、高

精度

好

复合结构钢与铸铁综合工艺长单件、小批大、中型高精度不好

金属与金

属钢、铁与混凝土、环氧树脂混凝土、花岗岩

金属与非

金属

4.3工作台设计的基本方法

根据任务书要求，需要对工作台进行受力分析，决定用有限元法设计工作台。有限元法，根据固体力学中的能量原理，借助计算机对各种结构和有关场的问题进行近似地分析、计算。在现在工程设计计算中，被公认为是一种十分有效的数值计算方法。适用于空间板系结构的动态性能的分析、计算。特别适用于大型、精密、高精度机床大件的设计。

4.4加工中心工作台的结构材料

铸造结构用的原材料来源广泛，生产成本低，铸造工艺灵活性大。因此，铸造在机器制造业中应用及其广泛，各种类型的现代机器设备中铸件所占的比重很大。机床中，铸件占机器总重量的70%~80%。加工中心工作台结构较简单、刚度大、精度和稳定性要求高。现在我国的铸造工艺可以满足这些要求，而且成本低，对加工中心工作台的结构材料选用铸造结构。

4.4..1铸造结构用灰铸铁铸件

灰铸铁流动性好、体收缩和线收缩小。综合力学性能低，抗压强度比抗拉强度高约3~4倍。吸振性好。弹性模量较低。利用灰铸铁作为铸造结构时，形状可以复杂，结构允许不对称。有箱体形、筒形等。

4.4.2灰铸铁牌号选择

作为加工中心工作台的材料，其用途应当满足强度的要求，一般加工中心工作台的强度较大，因此选用HT250。

4.4.3灰铸铁铸造要求

由于加工中心工作台形体较大，而且铸造精度要求高，选用实型铸造。用泡沫聚苯乙烯塑料模，局部或全部代替木模或金属模造型，在浇注时烧失。可节约木材、简化工序，但烟尘有害气体较大，可以采用抽风系统排废气。

4.5龙门加工中心工作台高度、截面形状和壁厚的设计

4.5.1工作台高度的确定

为满足足够的刚度要求，并且使工作台的重量降到最低，所以我们初步选定工作台高度为120mm.

4.5.2工作台截面形状及其截面长H与宽B的确定

加工中心工作台截面形状选用矩形，这样可以保证其稳定，减少应力集中。从而确保加工中心的可靠性和精度。

确定断面尺寸中以截面的长度的影响最为显著。因为结构刚度与截面高度的三次方成正比。龙门加工中心立柱截面长宽比L/B的推荐值见表4。取2.5。

表4 龙门加工中心工作台截面长宽比（L/B）推荐值

部件名称截面长宽比（L/B）适用机床

工作台≥1.2~2.0 龙门加工中心

截面长宽比应取较小的值。测量类似机床后，初步设定工作台截面长H=1700mm，宽B=1250mm。

4.6加工中心工作台加强肋设计

为了提高工作台的强度、刚度和减轻工作台的质量，在工作台壁内侧设肋可以减小其截面畸变，在其大面积的薄壁上部肋可缩小局部变形和防止薄壁振动和降低噪声。

金属切削机床工作台通常采用矩形，其内壁肋板使用井字肋。壁上的纵向肋有助于提高工作台的抗弯刚度，横向肋提高了抗扭刚度，并防止截面畸变。纵、横肋共同组织各段壁板振动。

第五章床身设计

5.1对床身的功能要求

床身在龙门加工中心上属于机床支承大件。它是其他零、部件赖以连接、固定和运动的基础。作为支承大件的床身，决定了龙门加工中心的整体功能。为了实现龙门加工中心的整体功能，对床身的功能要求，见表5。

表5 龙门加工中心床身的功能要求

龙门加工中心床身技术经济要求

1、尺寸容量根据任务书中的条件，立柱需要支承横跨在宽度为1.2m的工作

台上的横梁。加工中心加工工件时，有一定的高度范围，对于放置于

尺寸为1.2m*1.6m的工作台上的工件，高度一般不会超过0.5m。考

虑到刀架的长度和工作台的厚度，以及横梁的高度，另外还要考虑立

柱需要有一定的高度裕量，初步定床身高度为1.3m。

2、性能要求1、静刚度要高，在承受最大载荷时，变形量不超过规定值，当横梁

移动、工作台工作时，静刚度的变化要小。

2、动刚度要好，在预定的切削条件下工作时，其振动和噪声应在允

许范围内。

3、导轨的受力合理，耐磨性良好。

3、技术及经济效率1、保证操作者在最安全和最方便的情况下进行机床调整和操作。

2、保证机床维护与修理具有满意的条件，易于安全运输和装卸。

3、结构的总重量与元件重量的分布，要满足技术和经济要求，并能

低成本、高效率地进行制造和安装。

4、外观造型要求考虑到多的人机关系和时代的审美要求。现代科学和工艺的高速

发展，机床产品的造型情趣，一般崇尚明快、简洁、俊秀的直线方角

型，提倡“古典魅力”与现代造型和技术的巧妙揉合，以突出独立自

主的、有自我个性的造型情趣。

5.2床身的结构特征

5.2.1床身形体结构特征

床身的结构有两个特征：从形体上看，是空间板系结构；从载荷上看，是空间力系的载体。见表6。

表6 龙门加工中心床身的结构特征

结构特征简要说明

1、空间板系组合结

构

龙门加工中心床身部件属于板、梁空间组合结构。是由板和梁等元件构成的。

2、空间力系载体加工中心在静态和动态中可能产生的各种作用力，直接或间接的

由横梁来承受。它们有：

1、切削力，指F x——进给抗力；F y——吃刀抗力；F z——主切削力。

2、重力，指工件及加工中心重量。

3、摩擦力，指横梁在立柱上移动和刀架在横梁上移动时导轨面间的

摩擦力。

4、夹紧力，指连接大件和移动部件间的连接力。

5、惯性力。

6、冲击或振动干扰力（外加激振力）。

7、热应力。

5.2.2床身结构工艺性特征

根据任务书要求，此加工中心是小型机床，再考虑到市场适应性，首先把复合结构排出。同时，任务书中指出，加工中心的定位精度为0.003mm，通过考查，属于较高精度机床，固然焊接结构符合精密、高精度的要求，但是在实际的生产中，我国的钢板与型钢加工质量尚不易达到要求，很难完成产品的精密与高精密的要求，出于成本的考虑，选择铸造结构既能满足加工要求，同样经济实惠。

表7 机床大件的结构工艺性特征

结构工艺类别材料生产方法周期经济性原则市场适应

性

生产规模产品类型产品精度

铸造结构灰铸铁铸造工艺长大、中批量中、小型普通、精

密

一般

焊接结构钢板与型

钢焊接工艺短单件、小批大、中型精密、高

精度

好

复合结构钢与铸铁综合工艺长单件、小批大、中型高精度不好

金属与金

属钢、铁与混凝土、环氧树脂混凝土、花岗岩

金属与非

金属

5.3床身设计的基本方法

根据任务书要求，需要对床身进行受力分析，决定用有限元法设计床身。有限元法，根据固体力学中的能量原理，借助计算机对各种结构和有关场的问题进行近似地分析、计算。在现在工程设计计算中，被公认为是一种十分有效的数值计算方法。适用于空间板系或板梁等组合结构的动态性能的分析、计算。特别适用于大型、精密、高精度机床大件的设计。5.4加工中心床身的结构材料

铸造结构用的原材料来源广泛，生产成本低，铸造工艺灵活性大。因此，铸造在机器制造业中应用及其广泛，各种类型的现代机器设备中铸件所占的比重很大。机床中，铸件占机器总重量的70%~80%。加工中心立柱结构较简单、刚度大、精度和稳定性要求高。现在我国的铸造工艺可以满足这些要求，而且成本低，对加工中心横梁的结构材料选用铸造结构。

5.4.1铸造结构用灰铸铁铸件

灰铸铁流动性好、体收缩和线收缩小。综合力学性能低，抗压强度比抗拉强度高约3~4倍。吸振性好。弹性模量较低。利用灰铸铁作为铸造结构时，形状可以复杂，结构允许不对称。有箱体形、筒形等。

5.4.2灰铸铁牌号选择

作为加工中心床身的材料，其用途应当满足壁厚的要求，一般加工中心床身的壁厚较大，因此选用HT250。

5.4.3灰铸铁铸造要求

由于加工中心床身形体较大，而且铸造精度要求高，选用实型铸造。用泡沫聚苯乙烯塑料模，局部或全部代替木模或金属模造型，在浇注时烧失。可节约木材、简化工序，但烟尘有害气体较大，可以采用抽风系统排废气。

5.5龙门加工中心床身长度、截面形状和壁厚的设计

5.5.1床身长度的确定

根据任务书中的条件，工作台尺寸为1.2m*1.6m，考虑到两侧立柱0.5米的宽度、立柱与工作台之间的距离，初步定工作台的长度为2.6m。

5.5.2床身截面形状及其截面宽H与高B的确定

1.床身截面形状的确定

由于要设计的床身与立柱相连，出不设定为U字形截面。

2.床身截面宽H与高B的确定

确定断面尺寸中以截面的长度l的影响最为显著。因为结构刚度与截面高度的三次方成正比。龙门加工中心床身截面长宽比L/B的推荐值见表4。取2.5。

表8 龙门加工中心床身截面长

宽比（L/B）推荐值

部件名称截面长宽比（L/B）适用机床

床身 1.3~2.2 龙门加工中心

由于设计静梁加工中心，床身应尽量稳定，并且弯曲变形要小，那么截面长宽比应取较小的值。测量类似机床后，初步设定床身截面宽H=2100mm，高B=1320mm。

5.5.3床身壁厚的确定

龙门加工中心床身壁厚的确定，首先要根据其截面惯性矩的要求，除了考虑结构的截面形状和板壁空等影响外，还要考虑结构工艺要求。由于此加工中心床身是铸造结构，于是需要相应的壁厚确定。

1.壁厚设计应注意以下几点

（1）最小壁厚问题：一般情况下，最小壁厚不要少于3mm。箱形构件，有效宽度（外径D对壁厚δ之比）也不宜大于80~100。

（2）壁厚宜均匀：特别对于薄壁封闭结构，均匀的壁厚有助于应力分布的均匀化。均匀的壁厚对工艺上也有诸多的优越性。

2.铸造结构壁厚的确定

铸铁的弹性模量是不稳定的，加工中心床身的壁厚，应根据铸造工艺要求，尽可能选择薄一点。合理的横梁壁厚，能保证其力学性能和防止产生浇不足、冷隔等缺陷。横梁的最小壁厚通过表5选15~20mm。但是由于铸造方式为实型铸造，而且逐渐尺寸远大于500mm*500mm，所以可以把壁厚增加一些，在不影响弹性模量的情况下，使加工中心横梁更加稳定，则确定壁厚为30mm。

表9 铸件最小允许壁厚

铸型种类铸件尺寸mm 灰铸铁最小允许壁厚mm

砂型200*200以下5~6

200*200~500*500 6~10

500*500以上15~20

5.6加工中心床身加强肋设计

为了提高横梁的强度、刚度和减轻床身的质量，在其壁内侧设肋可以减小其截面畸变，在大面积的薄壁上部肋可缩小局部变形和防止薄壁振动和降低噪声。

金属切削机床床身通常采用矩形，其内壁肋板使用井字肋，米形肋。壁上的纵向肋有助于提高横梁的抗弯刚度，横向肋提高了抗扭刚度，并防止截面畸变。纵、横肋共同组织各段壁板振动。

第六章加工中心基础件静力学分析

基础件机床的重要组成部分，床身和工作台上是加工中心上重要的基础件，他们的静态受力变形直接影响机床整体的加工范围及精度。

6.1工作台的静力学分析

这里我们用两个结构不同的工作台的静态分析为例来比较那种工作台的结构比较好。

6.1.1工作台一的静力学分析

第一个工作台我们用1.2mX1.6m的铸铁工作台如图6-1所示。

图6-1工作台平面图

工作台的材料为铸铁件，查手册我们选取工作台的弹性模量为1.3e11,泊松比为0.3，密度为7200.将工作台导入ANSYS做静态分析。先生成工作台的有限元网格模型。如图6-2所示。

图6-2工作台有限元模型

输入工作台的弹性模量，泊松比以及密度。在工作台下四个小平面施加约束力。约束全部自由度。工作台上施加工作台的加工范围所能承受力为30000N施加在工作台上一个小平面内，在Y轴施加重力加速度。然后开始分析。分析完后读出总变形云图如图6-3所示和总应力云图如图6-4所示。

图6-3工作台静态分析总变形云图

图6-4工作台静态分析总应力云图

由图可以看出，工作台中间受力变形，最大变形量为0.136E-03m。最大应力为0.383E9Pa 小于该材料的强度极限，该材料不会被破坏。

6.1.2工作台二的静力学分析

第二个工作台为1.25m×1.7m铸铁工作台如图6-5所示。

图6-5工作台2平面图

工作台二也是铸铁材料，所以弹性模量为1.3E11，泊松比为0.3，密度为7200kg/m3.将

工作台三维图导入ANSYS中，生成有限元模型然后在模型上施加约束，约束施加在底面田字形上，约束全部自由度，在工作台中部区域上施加30000N的均布力，然后施加重力，进行分析，结果如图6-6，6-7所示。

6-6工作台2静力学分析总受力变形云图

图6-7工作台2静力学分析应力云图

由图可知工作台2的上表面有四个点向下凹进，变形量为0.591E-6米，受到的最大应力为754732Pa, 小于铸铁的强度极限，所以该工作台不会被破坏。

6.1.3两连工作台结构特性比较

两工作台相比较工作台二的变形量为0.591E-6米小于工作台一的变形量，工作台2的总应力754732Pa小于工作台一的总应力0.383E+9Pa，所以工作台二的变形量低于工作台一，其结构更加稳定，设计更加合理。

6.2.1床身静力学分析

床身是机床的一个重要基础部件，因此床身动态性能直接影响到机床的加工精度。精密机床的床身一般为具有筋板的框形结构，床身内部的筋板的布置以及筋板开孔的尺寸对机床动态性能有巨大的影响。合理地选择筋板的布置形式和筋板孔的尺寸，不但可以提高床身的动态性能，而且可以节约材料和降低生产成本。

床身属于结构铸件，有许多铸造圆角、工艺孔，如果根据实际情况将这些实体特征在SolldworkS中进行造型，势必很大程度上增加有限元计算量。综合精密机床床身的动态特性分析与优化考虑计算精度的影响及有限元模型的计算规模，对部分局部特征如倒角、圆角、小凸台、螺钉孔、油孔和水孔等进行了简化。

床身的结构优化设计流程：

1 选出不同筋板布局床身。

2 优选合理的筋板布局形式。

3 基于原结构的参数化分析。

4 确定出合理的床身结构设计参数。

5 确定合理的床身结构形式。

6得出结果。

首先我们先做出床身的各种筋板。如图6-8所示。

结构1 结构2

结构3 结构4

图6-8床身筋板的四种结构

我们选择结构1和结构2进行三维建模。并将三维模型进行一定的简化，然后导入ANSYS 生成有限元模型，如图6-9所示。