【文章內(nèi)容簡介】 車床，采用伺服電機驅動刀架的進給運動，工作主軸、工具主軸都采用伺服主驅動，可任意改變工作轉速。CK21206 六主軸數(shù)控車床的控制系統(tǒng)為多座標、多過程并行控制，是目前數(shù)控車床具有高科枝含量的產(chǎn)品。 多主軸數(shù)控車床解決了機械多軸柔性差的問題，適應當前產(chǎn)品更新?lián)Q代快的形勢，作為過去大量使用老機械多軸企業(yè)的替代產(chǎn)品具有很大市場潛力。近十幾年很多國外的汽車行業(yè)打入中國市場，在國內(nèi)投資建廠的企業(yè)往往要求按國外的工藝選配加工設備，多主軸數(shù)控車床由于它的高效自動和保證了零件加工質量，是很多汽車零件加工設備的首選。上海寶鋼與加拿大合資的科寶汽車傳動軸廠就是一個典型，加拿大投資方要求按加拿大的生產(chǎn)工藝配備多主軸數(shù)控車床，目前歐洲生產(chǎn)的此類機床售價在 60 萬歐元以上，科寶購進的 INDEX 的數(shù)控多軸車床合人民幣近 1500 萬元，由于價格的優(yōu)勢，他們曾表示將采用我們的數(shù)控多軸車床，類似寶鋼的情況在國內(nèi)還有很多。 目前，用于機加設備的數(shù)控技術日趨成熟，中國購買國外的一些高檔數(shù)控系統(tǒng)也不再受限制，這是開發(fā)多主軸數(shù)控車床的一個有利條件。 CK2120X6 六主軸數(shù)控車床不僅代表了國家制造業(yè)的水平，也是市場潛力大的一個適銷對路產(chǎn)品。目前歐洲的同類產(chǎn)品售價在 600 到 700 萬人民幣左右，而我們自主開發(fā)售價可只在 200 到 300 萬之間，這個價格國內(nèi)一些企業(yè)可以接受，在國際市場也具有很強的競爭力。過去沈陽第三機床廠就是靠多軸車床成為創(chuàng)匯大戶，數(shù)控多主軸車床的開發(fā)會給企業(yè)創(chuàng)匯帶來很好的機遇。 多主軸數(shù)控車床是一種高效自動化的設備，對提高人力和物資資源的利用，提高我國機加行業(yè)的水平都是一個必不可少的產(chǎn)品，經(jīng)濟和社會效益是顯著的。在我國汽車零件等機加行業(yè)與世界接軌、引進外資和打入世界市場的過程中，多主軸數(shù)控車床將發(fā)揮其積極作用。 有限元方法簡介 有限元法概述 有限元法是一種數(shù)值模擬技術，即將要分析的結構離散化為有限個自身具有一定的質量、彈性特性的單元，在有限個節(jié)點上把它們互相連結起來，承受等效的節(jié)點載荷，并根據(jù)平衡條件來進行分析；然后借助計算機根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，再把這些單元重新組合起來，成為一個整體進行求解[26]。由于單元能按不同的聯(lián)結方式進行組合，且單元本身又可以有不同的形狀，因此可以模型化幾何形狀復雜的求解域[27]。 有限元的基本思想早在 20 世紀 40 年代就出現(xiàn)了。1943 年 Courant 首先提出將一個連續(xù)求解域剖分為有限個分片連續(xù)的小區(qū)域組合，即離散化概念第一次嘗試了用定義在三角形區(qū)域上的片連續(xù)函數(shù)與最小勢能原理相結合，求解扭轉問題近似數(shù)值解，并把這種方法稱為變分問題的瑞利—里茲解法[28]。近四十年來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，有限元方法也得到了不斷的發(fā)展，除了協(xié)調(diào)單元法外，又發(fā)展了非協(xié)調(diào)單元法及雜交單元法等，應用領域也得到了迅速發(fā)展。就固體力學來講，有限元方法的應用己由平面問題擴展到板殼問題和空間問題。有限元方法是數(shù)值計算的一種離散化方法，從數(shù)學角度說，就是從變分原理出發(fā)，通過分期插值，把二次泛函的極值問題轉化為一組多元線性代數(shù)方程來求解。從物理和幾何角度來講，有限元方法就是結構分析的一種計算方法，是矩陣方法在結構力學和彈性力學等領域的發(fā)展和應用。其思想就是將連續(xù)體劃分為有限個規(guī)則形狀的單元體，相鄰單元之間通過若干個結點相連接。作用在單元上的外載荷轉化為結點載荷。用劃分的有限個小單元的集合體，代替原來的連續(xù)體，從而建立起連續(xù)體的力平衡關系。這種方法常用于復雜的連續(xù)彈性振動系統(tǒng)的建模和求解。結構有限元涉及到力學原理、數(shù)學方法和計算機程序系設計等幾個方面，諸方面互相結合才能形成完整的有限元分析方法。目前，一些常用的通用有限元分析軟件，如 NASTRAN，ANSYS，ADINA，SAP 等等，都具有很強的靜、動力計算能力。 隨著計算機處理能力的極大增強、數(shù)值求解方法的改進及力學知識的不斷完善，有限元法得到了極大的發(fā)展和應用。有限元的發(fā)展經(jīng)歷了以下四個階段： (1) 40—50 年代中期在結構矩陣分析方法的基礎上發(fā)展起步階段[2930]；(2) 70 年代在理論研究上不斷深入階段[31]； (3) 80 年代取得全面發(fā)展并在實際中廣泛應用[32]； (4) 在實驗模態(tài)分析的基礎上，對有限元模型進一步修正，使之與實際情況更加 符合[3334]。 有限元方法的研究現(xiàn)狀 隨著 FEM 研究的深入，過去不能解決或能解決但求解精度不高的問題，都得到了新的解決方案。傳統(tǒng)的 FEM 假設：分析域是無限的，材料是同質的，甚至在大部分的分析中認為材料是各向同性的，對邊界條件簡化處理。但實際問題往往是分析域有限、材料各向異性或邊界條件難以確定等。為解決這類問題，美國的 heofanis Strouboulis amp。 LinZhang 等人提出用 GFEM ( Generalized Finite Element Method)解決分析域內(nèi)含有大量孔洞特征的問題[35]；比利時的 Nguyen Dang Hung 和越南的 Tran Thanh Ngoc 提出用 HSM(the Hybrid metis Singular element of Membrane plate)解決實際開裂問題（結構尺寸有限，形狀任意，邊界條件復雜，材料特性任意）[36]。傳統(tǒng)的有限元斷裂力學技術 (the finite element fracture mechanics techniques)在解決零件中出現(xiàn)裂縫這類問題時，需要在曲線型裂紋前緣附近的區(qū)域細分網(wǎng)格。這樣無論是從網(wǎng)格生成的角度看還是從求解的角度看，都需要花費大量的時間。而且在循環(huán)加載的情況下產(chǎn)生的次裂紋將會使分析變得更加復雜。為此，美國的 Daniel SPipkinsay amp。 Satya N Atlurib 提出了 FEAM (Finite Element Alternating Method) 。該方法在求解應力集中因子時，可在不犧牲精度的情況下節(jié)省時間，用它分析具有橢圓裂紋或部分橢圓裂紋的結構是很有用的[37]。此外，西班牙的 Onate E 和波蘭的 Rojek J 將 DEM (Discrete Element Method)和 FEM 結合解決地質力學中的動態(tài)分析問題[38]；瑞典的 Birgersson F 和英國的 Finnveden S 針對 FEM 在頻域中的應用提出了 SFEM (Spectral Finite Element Method)[39]。在 FEM 應用領域不斷擴展、求解精度不斷提高的同時，F(xiàn)EM 也從分析比較向優(yōu)化設計方向發(fā)展[40]。印度 Mahanty 博士用 ANSYS 對拖拉機前橋進行優(yōu)化設計，結果不但降低了約 40%的前橋自重，還避免了在制造過程中的大量焊接工藝，降低了生產(chǎn)成本[41]。 FEM 在國內(nèi)的應用也十分廣泛。20 世紀 80 年代我國大連理工大學工程力學研究所開發(fā)成功了國內(nèi)第一個通用有限元程序系統(tǒng) JIGFEX，并在 1983 年開發(fā)出了它的微機版 JIGFEXW[42]。目前，F(xiàn)EM 已滲透到工程分析的各個領域，從大型的三峽工程[43]到微米級器件[44]都采用 FEM 進行分析。它在我國經(jīng)濟發(fā)展中擁有廣闊的發(fā)展前景。 有限元方法的發(fā)展趨勢 當今國際上 FEA 方法和軟件開發(fā)呈現(xiàn)出以下趨勢特征[45]： (1) 從單純的結構力學計算發(fā)展到求解多物理場問題。有限元分析方法最早是從結構化矩陣分析發(fā)展而來，逐步推廣到板、殼和實體等連續(xù)體固體力學分析。近年來有限元方法已發(fā)展到流體力學、溫度場、電傳導、磁場、滲流和聲場等“耦合場”問題的求解計算。 (2) 由求解線性工程問題進展到分析非線性問題。隨著科學技術的發(fā)展，一些公司開發(fā)了專長于求解非線性問題的有限元分析軟件，如 MARC、ABAQUS 和 ADINA等，這些軟件的共同特點是具有高效的非線性求解器以及豐富和實用的非線性材料庫。 (3) 增強可視化的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理功能。目前幾乎所有的商業(yè)化有限元程序系統(tǒng)都建立了對用戶非常友好的 GUI（Graphics User Interface），使用戶能以可視圖形方式直觀快速地進行網(wǎng)格自動劃分，生成有限元分析所需資料，并按要求將大量的計算結果整理成變形圖、等值分布云圖，便于極值搜索和所需資料的列表輸出。 (4) 與 CAD 軟件的無縫集成。當今所有的商業(yè)化有限元系統(tǒng)商都開發(fā)了和著名的 CAD 軟件（例如 Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley 和 AutoCAD 等）的接口。 (5) 在 Windows 平臺上的發(fā)展。早期的有限元分析軟件基本上都是在大中型計算機（主要是 Mainframe）上開發(fā)和運行的，后來又發(fā)展到以工程工作站（EWS，Engineering WorkStation）為平臺，當前國際上著名的有限元程序研究和發(fā)展機構都紛紛將他們的軟件移值到 Windows 平臺上。 本課題研究的主要內(nèi)容 課題采用美國 ANSYS 公司的大型通用有限元分析軟件 版本作為分析工具，對 CK21206 六主軸數(shù)控車床的關鍵零部件進行了靜態(tài)、動態(tài)特性分析，并對分析結果進行了研究，主要包括以下幾個方面內(nèi)容： (1) 采用美國 Solidworks 公司的三維設計軟件 Solidworks 對 CK21206 六主軸數(shù)控車床的主軸鼓、前箱、刀架等主要零部件進行三維造型和參數(shù)化。 (2) 研究了有限元法的基礎理論及軟件基礎。 (3) 利用大型通用有限元軟件 ANSYS 對主軸鼓進行機械應力下的變形分析，得出主軸鼓在切削力下的應力分布和變形云圖。 (4) 對主軸鼓進行熱—應力耦合分析，得出主軸鼓在熱、機械應力共同作用下的變形，為后續(xù)機床的誤差補償提供依據(jù)。 (5) 對前箱及其刀架進行動態(tài)特性分析，得出其前幾階固有頻率和振型，找出其薄弱環(huán)節(jié)，從而避免結構的共振。 第2章 有限元法基本理論與軟件基礎 有限元分析的基本步驟對于不同物理性質和數(shù)學模型的問題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導和運算求解不同。 (1) 物體離散化 將某個工程結構離散為由各種單元組成的計算模型，即單元剖分。離散后的單元和單元之間利用節(jié)點相互連接起來。單元節(jié)點的設置、性質、數(shù)目等應視問題的性質，描述變形形態(tài)的需要和計算精度而定（一般情況，單元劃分越細則描述變形的情況越精確，即越接近實際變形，但計算量也越大）。所以有限元法中分析的結構已不是原有的物體或結構物，而是同樣材料的由眾多單元以一定方式聯(lián)接成的離散物體。這樣，用有限元分析計算所獲得的結果只是近似的。如果劃分單元數(shù)目足夠多而且又很合理，則所獲得的結果就與實際情況十分相符。 (2) 單元特性分析 1) 位移模式。在有限元法中，選擇節(jié)點位移作為基本未知量時稱為位移法，選擇節(jié)點力作為基本未知量時稱為力法，取一部分節(jié)點力和一部分節(jié)點位移作為基本未知量時稱為混合法。位移法易于實現(xiàn)計算自動化，所以在有限元法中應用范圍最廣。 當采用位移法時，物體或結構物離散化后，就可以把一些物理量如位移、應變和應力等由節(jié)點位移來表示。這時可以對單元中位移的分布采用一些能逼近原函數(shù)的近似函數(shù)予以描述。通常，有限元法中我們將位移表示為坐標變量的簡單函數(shù)。這種函數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù)。 2) 分析單元的力學性質。根據(jù)單元的材料性質、形狀、尺寸、節(jié)點數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點力和節(jié)點位移的關系式，這是單元分析的關鍵一步。此時需要應用彈性力學中的幾何方程和物理方程來建立力和位移的方程式，從而導出單元剛度矩陣，這是有限元法的基本步驟之一。 3) 計算等效節(jié)點力。物體離散化后，假定力是通過節(jié)點從一個單元傳遞到另一個單元。但是，對于實際的連續(xù)體，力是從單元的公共邊界傳遞到另一個單元中去的。因而，這種作用在邊界上的表面力、體積力或集中力都需要等效地移到節(jié)點上去，也就是用等效的節(jié)點力來替代所有作用在單元上的力。 (3) 單元組集 利用結構力的平衡條件和邊界條件把各個單元按原來的結構重新聯(lián)接起來，形成整體的有限元方