超重型數(shù)控龍門移動(dòng)鏜銑床橫梁的有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2. 3 有限元分析

觀察橫梁有限元分析的節(jié)點(diǎn)位移和變形，滑枕式鏜銑頭等移到橫梁中部時(shí)橫梁的受力和變形都是大。如圖 8 所示，這時(shí)橫梁受力發(fā)生彎曲變形，并向前傾覆，大位移為 0． 258 mm。橫梁體的導(dǎo)軌加工成直線型，保證了鏜銑頭運(yùn)行的直線度，從而簡(jiǎn)化了零件的加工，方便了橫梁體的裝配，更提高了機(jī)床整機(jī)的精度和穩(wěn)定性。觀察這時(shí)橫梁 Z 軸方向上的節(jié)點(diǎn)位移和變形，如圖 9 所示，橫梁受力發(fā)生彎曲變形，Z 軸方向上大位移為 0． 250 mm，這個(gè)位移值偏大，要減少。

同時(shí)觀察這時(shí)橫梁受力的應(yīng)力分布，如圖 10 所示，橫梁因受力變形，應(yīng)力主要集中在溜板與橫梁的接觸面、絲杠螺母安裝處和立柱與橫梁接觸的內(nèi)側(cè)下方處，大應(yīng)力約為 42 MPa，小于 HT200 材料的許用應(yīng)力即表 1 中該材料的屈服強(qiáng)度 135 MPa。

結(jié)合超重型數(shù)控龍門移動(dòng)鏜銑床中橫梁與立柱、絲杠螺母副的實(shí)際裝配情況，對(duì)相應(yīng)接觸面進(jìn)行約束其對(duì)應(yīng)的自由度，約束條件為橫梁兩端固定，動(dòng)梁橫梁體自由度約束見(jiàn)圖 6 所示。橫梁的邊界條件和受力橫梁的上下運(yùn)動(dòng)( Z 向) 是通過(guò)絲杠驅(qū)動(dòng)。通過(guò)壓板，橫梁緊貼在立柱的導(dǎo)軌面，靜壓導(dǎo)軌接觸面處由靜壓油支撐，靜壓油支撐剛度大。在該機(jī)床Y軸運(yùn)行時(shí)，卸荷輪在卸荷梁上滾動(dòng)，卸荷梁頂面按反撓度曲線［1］加工，卸荷輪在卸荷梁上滾動(dòng)時(shí)將溜板和滑枕式鏜銑頭的重量加載到卸荷梁上，這樣對(duì)橫梁體不產(chǎn)生影響，減少了橫梁的變形。因此，在橫梁上下移動(dòng)的情況下，其 X 向接觸面和 Z 向接觸面完全固定，在有限元建模中，此處 X 方向和 Z 方向施加單方向的約束。橫梁 Y 方向兩端運(yùn)動(dòng)固定，因此，在有限元模型中約束也按照實(shí)際情況施加。

溜板與滑枕通過(guò)絲杠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可在橫梁上左右移動(dòng)( 見(jiàn)圖 1) ，在單個(gè)導(dǎo)軌面上溜板與橫梁有左右 2 個(gè)接觸面，同立柱導(dǎo)軌一樣，橫梁靜壓導(dǎo)軌的各接觸面也均為靜壓油支撐，通過(guò)壓板等可保證溜板緊貼橫梁的導(dǎo)軌面。

文獻(xiàn)［4］中數(shù)控機(jī)床尤其是銑床，橫梁是很關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)水平的好壞直接影響整個(gè)機(jī)床性能。對(duì)于橫梁的優(yōu)化主要從兩方面考慮: ①在不增加質(zhì)量的前提下，使橫梁上的大變形化，提高橫梁的靜剛度; ②優(yōu)化中初階固有頻率不小于設(shè)定值，提高橫梁的動(dòng)剛度。優(yōu)化的具體實(shí)施步驟如下: 首先，通過(guò)形狀及拓?fù)鋬?yōu)化確定橫梁佳的截面輪廓和肋板布置方案，得到概念模型; 其次，通過(guò)尺寸優(yōu)化確定合理的外形尺寸和肋板厚度。超重型數(shù)控龍門移動(dòng)鏜銑床中橫梁上外載荷變化慢，橫梁處于靜態(tài)，因此應(yīng)用有限元方法來(lái)進(jìn)行靜態(tài)分析。CAE 軟件優(yōu)化模塊可以定義多個(gè)設(shè)計(jì)變量和狀態(tài)變量，設(shè)計(jì)變量為自變量，狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)都是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)。如橫梁結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、寬、高尺寸以及筋板厚度等定義為設(shè)計(jì)變量，橫梁結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力隨設(shè)計(jì)變量的變化而變化，是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，可以定義為狀態(tài)變量，使結(jié)構(gòu)重量化定義為目標(biāo)函數(shù)。