【文章內(nèi)容簡介】 為32Hz, 機動 進給驅(qū)動電機引起的振動頻率為 47Hz。 本章小結(jié) 本章針對 M7475B 平面磨床采用立軸圓臺端面磨的特點，分別近似模擬出立柱所受磨削力的示意圖，并查閱相關文獻計算出磨削力的大小。在這里有一點需要說明的是，在本課題中法向磨削力的方向近似與立柱結(jié)構(gòu)的對稱中心相平行，而在實際加工情況下法向磨削力的方向是與立柱對稱中心偏離一個微小角度的。這樣做是為了簡化計算，并且簡化對于結(jié)果影響不大。 第三章 立柱結(jié)構(gòu)有限元模型的建立 PRO/E 與 ANSYS 的連接 ANSYS 軟件提供了與大多數(shù) CAD 軟件進行數(shù)據(jù)共享和交換的圖形接口 ,ANSYS 自帶的圖形接口能識別 IGES、 ParaSolid、 CATIA、 Pro/E、 UG 等標準的文件，使用這些接口轉(zhuǎn)換模型的方法很簡單 ,只要在 CAD 中將建好的模型使用另存為或者導出命令 ,保存為 ANSYS 能識別的標準圖形文件 ,通常使用的有 IGES 和 ParaSolid 文件，在 ANSYS 中使用 FileImport 導入模型 ,然后進行模型拓撲結(jié)構(gòu)修改。對于 CATIA 和 Pro/E 等 CAD 軟件 ,ANSYS 能直接識別它們的文件 ,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 ,但是往往會出現(xiàn)很多問題 ,甚至會發(fā)生不能識別的問題。例如 IGES 文件是 ISO 標準中規(guī)定的標準圖形交換格式之一 ,IGES 作為一種表達產(chǎn)品數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換成中性文件格式的行業(yè)標準 ,實現(xiàn)文件之間的交換具有很大的優(yōu)勢 ,但是 ANSYS對 IGES 的支持不夠 ,在導入 IGES 文件的時候 ,無法識別小的幾何元素 ,造成所生成拓撲結(jié)構(gòu)不連續(xù) ,無法生成實體 ,導入的模型只是由一些面組成，而且 ,ANSYS 讀入 IGES 所需的時間很長。 ANSYS軟件為了擴充與其他 CAD軟件之間的接口的功能 ,開發(fā)設置了 ANSYS與 Pro/E 的 連 接 模 塊 ,安 裝 的 時 候 必 須 選 擇 ANSYS Connection For Pro/ENGINEER 模塊 (代號 82)，這個模塊的功能就是將 Pro/E 里面的模型生成ANSYS的命令流文件 ,這個命令流文件的擴展名是 anf,ANSYS 讀入 anf 文件后 ,即可自動將模型建好 ,而且這樣建立的模型幾乎沒有誤差。 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： 立柱有限元模型 由于磨床在工作 的過程中 ,工作狀況比較復雜 ,受多方面因素的影響 ,所以進行有限元分析時 ,為簡化計算 ,需要假設認定磨床材料是各向同性材料 ,密度均勻分布 ,在工作過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)模型相對復雜，在導入 ANSYS 進行分析前需要對模型進行相應的簡化，如去除相應圓倒角、凸臺、螺釘孔、銷孔、圓角以及退刀槽等對分析結(jié)果影響不大的細節(jié)結(jié)構(gòu) [13]，在本課題中根據(jù)實際情況去除了大部分的圓倒角，這樣可以簡化電腦運算時間，并且對有限元分析結(jié)果影響甚微 。 有限元模型的生成 如下圖 : 本 章小結(jié) 本 課題采用三維 CAD軟件 Pro/ENGINEER 對 M7475B 型磨床立柱結(jié)構(gòu)進行建模 ， 并將三維模型導入 ANSYS 有限元分析軟件以實現(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)有限元靜力學分析 有限元方法簡介 有限元方法是用于求解工程中各類問題的數(shù)值方法。結(jié)構(gòu)強度、剛度分析中的靜力、線性或者非線性問題，熱傳導中穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)或者熱應力問題，以及流體力學和電磁學中的很多問題都可以用有限元方法解決。 有限元方法的基本步驟 如下 : (1) 將實際求解范圍 離散化，即將求解域劃分成節(jié)點和單元。 (2) 選擇合適的形函數(shù)，即選擇一個用單元節(jié)點解描述整個單元解的連續(xù)函數(shù)。 (3) 對每個單元建立單元剛度矩陣。 (4) 按照一定節(jié)點編碼順序，將各個單元剛度矩陣疊加以構(gòu)造結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣。 (5) 寫出以節(jié)點自由度（ DOF）為未知量的結(jié)構(gòu)整體剛度方程，并將邊界條件、初始條件應用到方程中。 (6) 求解步驟（ 5）中得到的方程組，以得到節(jié)點上的自由度值。 (7) 根據(jù)節(jié)點的值和形函數(shù)，得到其他的物理量。例如，應力、支座反力、彎矩圖、熱流量等。 ANSYS 軟件簡介 ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分 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 ANSYS 開發(fā)，它能與多數(shù) CAD 軟件接口，實現(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)品設計中的高級 CAD 工具之一。 ANSYS 的組成及主要技術(shù)特點 : 軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非 線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理 場的耦合分析，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，也可將計算結(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，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。 ANSYS 結(jié)構(gòu)分析過程 有限元分析的一般流程為： （ 1）從三維實體建模模塊進入有限元分析 模塊。 （ 2）在實體上施加約束。 （ 3）在實體上施加載荷。 （ 4）計算（包括網(wǎng)格自動劃分），解方程和生成應力應變結(jié)果。 （ 5）分析計算結(jié)果，單元網(wǎng)格、應力或變形顯示。 （ 6）對關心的區(qū)域細化網(wǎng)格、重新計算。 立柱結(jié)構(gòu)的 ANSYS 結(jié)構(gòu)剛度分析 定義單元類型 由于磨床立柱模型比較復雜， 不宜簡化為板、殼單元的有限元模型 ,需要采用三維實體單元對磨床結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分。本課題中采用軟件提供的solid92 單元進行網(wǎng)格劃分 。該單元為 10 節(jié)點四面體結(jié)構(gòu) 線性單元 ,每個節(jié)點有沿 X 、 Y 和 Z 方向的三個平 移自由度 , 并且單元有可塑性、蠕動、膨脹、應力鋼化 , 大變形 , 和大張力的能力，如圖 41。 定義材料屬性 M7475B 磨床立柱采用材料 HT300，材料詳細信息如下 表 表 41 15 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 PRXY HT300 10? N/ 2m 圖 41 SOLID92 幾何模型 網(wǎng)格劃分 由于磨床立柱結(jié)構(gòu)比較復雜 ,建模的時候出現(xiàn)了很多小線段 ,采用智能網(wǎng)格劃分時容易在不重要的局部結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生過多的單元，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，這樣就簡化了計算機進行分析計算的時間。因此 ,進行網(wǎng)格劃分時 ,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 42 所示。 圖 42 立柱有限元模型網(wǎng)格劃分圖 施加約束 因立軸圓臺平面磨床磨削工件分粗磨和精磨兩種。粗磨時，為提高磨削效率，可將砂輪軸在垂直平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)一個角度，即用傾斜的砂輪端面磨削； 精磨時，必須用水平砂輪磨削。為適應砂輪主軸的旋轉(zhuǎn)角度，本機床采用立柱三點調(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螺釘調(diào)整裝置孔的圓柱面上施加約束，定義 ALL DOF值為 0 ，約束后的結(jié)果如圖 43 所示 。 圖 43 施加約束后立柱有限元模型 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，并且將彎矩簡化成力偶矩，選擇合適的力臂，經(jīng)計算得出力偶中力的大小， 同時為了避免單個 力施加在單個節(jié)點上可能引起的應力集中，將力偶簡化成均布力施加在多個節(jié)點上， 如此對立柱進行載荷的施加，結(jié)果如圖 44 所示。 圖 44 施加載荷后立柱有限元模型 計算結(jié)果 進入求解器 Main Menu Solution Solve Current LS。求解完成后，進入通用后處理器觀察計算結(jié)果。床身變形如圖 4 4 4 48 所示。 圖 45 X 方向位移變形云圖 圖 46 Y 方向位移變形云圖 圖 47 Z 方向位移變形云圖 圖 48 立柱 總 位移云圖 從位移云圖中可以看出，立柱導軌 位移最大， 且導軌右半部分有明顯 位移 ，達到 毫米，這與磨床電磁工作臺的轉(zhuǎn)向相符合 。 圖 49 X 方向應力云圖 圖 410 Y 方向應力云圖 圖 411 Z 方向應力云圖 圖 412 立柱總應力云圖 從 應力云圖（ 圖 4 4 41 412）來看，該型 號磨床立柱 受載后平均應力不高， 基本 不會形成應力集中，總體來說滿足強度要求。 本章小結(jié) 本章對 M7475B 平面磨床的立柱結(jié)構(gòu)進行了靜力學分析，綜合分析結(jié)果，需要注意以下幾點： （ 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 左右 ； （ 2）在實際應用中， 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的受力情況，對于加