基于 ANSYS Workbench 的加工中心横梁有限元分析与优化
2018-1-22 来源： 常州轻工职业技术学院 作者：茅启园，沈建明
摘要: 横梁是龙门加工中心关键部件之一，其静动态特性直接关系到整机性能。文章在 ANSYSSpace Claim 环境下建立横梁实体模型，运用 workbench 进行横梁静动态分析计算，并在其基础上利用响应面法对其进行优化设计。改进横梁的肋板结构尺寸，提高性能，为横梁优化提供了理论依据。
关键词: 加工中心横梁; 静动态特性分析; 响应面法
0 引言
加工中心可以实现车铣钻磨等多种工序的加工，对机床结构的要求就较高，而加工中心横梁是龙门型加工中心的重要部件，其静动态性能对加工精度的影响较大。
本文针对某型号龙门加工中心利用 ANSYSSpace Claim 软件进行建模，直接导入到 workbench 平台，运用 workbench 进行横梁静动态分析计算，根据分析结果，提出优化方案，改进其该型加工中心的切削加工综合性能。
1 、建立横梁几何模型
该型龙门加工中心横梁采用 O 型筋板结构，为焊接结构。横梁截面考虑受弯设计为上窄下宽的梯形结构，高 820mm、长 4850mm、770mm，筋 板 厚 度 为8mm，横梁上下壁板的厚度为 20mm，横梁左右壁板的厚度为 8mm，背部壁板厚度为 8mm。
横梁不仅受到外部复杂载荷的影响，还通过滑台带动主轴做进给运动，为防止薄壁振动，横梁内部有 9 根 8mm 的筋板，以中间肋板中面为对称面均匀分布。ANSYS Space Claim 是基于直接建模思想的参数化模型处理工具，所代表的是一种动态建模技术，即对于无论何种来源的模型都可以直接编辑，而无需考虑模型的历史，不受参数化设计中复杂的关联所约束。
通过对横梁的简化细小结构进行简化，利用 Space-Claim 软件建立该横梁的模型。横梁的材料为型材，泊松比 0. 3，弹性模量 E = 143Gpa，所见模型如图 1 所示，利用 workbench 划分网格后如图 2 所示。
2 、横梁结构的静态特性分析
横梁承受的载荷是空间载荷，所受到的载荷主要有静动载荷两方面，来源主要有两方面一是横梁自重、Z 向滑台以及主轴重量，二是极限工况下切削载荷。横梁自重通过施加重力加速度实现，同时通过对滑台自重和径向切削力进行力的平移，滑台及主轴的自重和径向切削力都对横梁是施加一个偏载力矩。
可以确定的是当 Z 向滑台以及主轴处于横梁正中央位置时横梁所承受的变形达到最大。施加载荷并对横梁与立柱接触面施加固定约束。通过分析计算，图 3 为横梁结构的总体位移变形云图所示，图 4、图 5 为 Y、X 各方向的位移变形云图，横梁的 最 大 变 形 量 为 0. 018mm，低 于 其 定 位 精 度0. 02mm，符合工程要求。
3 、横梁结构的模态分析
机床是多自由度的振动系统，其振动形态是复杂的，为了方便分析假定机床振动是线性的，所以分析动态特性可以用模态分析的方法。
通过模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型，可以判断振型是否影响加工精度。
本文采用的是 BLOCK LANCZOS 法对机床主轴进行模态分析。表 1 为横梁结构的前 6 阶频率，图 6、图 7 为前 2 阶振型图。
由上图计算分析结构表明，横梁第 1 阶频率的影响较大，同时后面几阶的频率为横梁筋板的振动，应加强筋板强度，提高动态性能，从而提升加工精度。
4 、横梁结构的谐响应分析
在铣削过程中，脉冲力为铣刀刀齿上的径向力，脉冲力的频率大小为 6n /60Hz。相位角忽略不计。得到横梁各部分的位移-频率响应曲线，横梁结构的谐响应分析结果如图
8 和图 9 所示。
谐响应结果看出由于加工过程中的径向铣削激振力的存在，横梁一阶固有频率处，图 8 显示 X 坐标方向横梁的响应位移为 1. 03e － 3mm，响应位移较大，表明横梁的动刚度较小，可通过对横梁的结构优化提供了理论依据。
5 、横梁结构的优化
通过前面的分析可知横梁的静态特性满足工作性能要求，为进一步提高动刚度，对横梁结构进行优化。优化参数选择左右壁板尺寸，筋板的厚度尺寸、背部壁板厚度以及中间 O 型横梁尺寸。以横梁总重量与低阶固有频率为优化目标。由于直接优化分析花费的计算太多，而且无法对设计提供较好的建议，本文使用响应曲面法来进行优化。采用
Optimal Space-Filling Design 法设置样本点实验设计方法以及 CCD 样本类型，响应曲面的类型选择Standard Ｒesponse Surface ，用二阶多项式来拟合。同时在输入参数中勾选 Use Manufacturable Values 来选工程实践中的板材常见规格尺寸，选择多目标遗传优化算法( MOGA) 的进行优化。
横梁结构优化参数与优化分析结果如表 2 所示，优化后横梁总体位移变形云图见图 10 所示，优化后横梁端部 X 向位移频响曲线见图 11 所示。优化后横梁背部 X 向位移频响曲线见图12 所示。
由表 3 对比可知，优化后的横梁质量为 3448kg，相对原 横 梁 增 加 了 1. 2% ，但 横 梁 的 静 变 形 下 降 了3. 2% ，一阶固有频率提高了 3. 9% ，X 坐标方向横梁的响应位移降幅较大，特别是背部 X 向响应位移降低了11% 。
6 、结束语
本文在 ANSYS Space Claim 环境下建立横梁实体模型，运用 workbench 进行横梁静动态分析计算，并在其基础上利用响应面法对其进行优化设计，改进横梁的肋板结构尺寸，提高性能，为横梁优化提供了理论依据。
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