GTM500200車銑加工中心滑枕關鍵部件及功能的有限元分析
4滑枕關鍵部件及功能的有限元分析4.1有限元分析技術4.1.1有限元技術有限元法是在結構分析的矩陣位移法基礎上發(fā)展起來的。“有限單元”(Finite element Analysis-FEA&FEM)是由Clough首次提出的(1960)。有限元方法是處理連續(xù)介質 問題的一種普遍方法，離散化是有限元方法的基礎。有限元方法是擺脫了各種各樣的工 程背景而成為一種具有普遍意義的數(shù)學方法。有限元方法是將一個連續(xù)體有無限多個自由度（屬于無限維空間），轉化成一個有 限自由度（屬于有限維空間），建立有限元方程，求其近似解。建立有限元方程大體有 三類方法：直接法：結構力學引申過來。變分法：有限元方法最常用的一種形式。加權 殘值法：非線性，伽遼金(Galeridn)法（即，選形函數(shù)為權函數(shù)的加權殘值法）屬于這一 類。有限元一般分析過程：先將求解域離散為有限個單元，單元與單元只在節(jié)點相互連接；…-即原始連續(xù)求 解域用有限個單元的集合近似代替。對每個單元選擇一個簡單的場函數(shù)近似表示真實場函數(shù)在其上的分布規(guī)律，該簡單 函數(shù)可由單元節(jié)點上物理量來表示…-通常稱為插值函數(shù)或位移函數(shù)。基于問題的基本方程，建立單元節(jié)點的平衡方程（即單元剛度方程）。借助于矩陣表示，把所有單元的剛度方程組合成整體的剛度方程，這是一組以節(jié)點 物理量為未知量的線性方程組，引入邊界條件求解該方程組即可。4.1.2 有限元分析軟件 Sol idWorks® SimulationSolidWorks® Simulation是一個與SolidWorks®完全集成的設計分析系統(tǒng)。 SolidWorks Simulation提供了單一屏幕解決方案來進行應力分析、頻率分析、扭曲分析、 熱分析和優(yōu)化分析。SolidWorks Simulation憑借著快速解算器的強有力支持，使得您能 夠使用個人計算機快速解決大型問題。SolidWorks Simulation提供了多種捆綁包，可滿足您的分析需要。SolidWorks Simulation節(jié)省了搜索******設計所需的時間和精力，可大大縮短產(chǎn)品上市時間。-64 -大連理工大學專業(yè)學位碩士學位論文該軟件采用了有限元方法（FEM)。FEM是一種用于分析工程設計的數(shù)字方法。 FEM由于其通用性和適合使用計算機來實現(xiàn)，因此已被公認為標準的分析方法。FEM 將模型劃分為許多稱作單元的簡單小塊形狀，從而有效地用許多需要同時解決的小問題 來替代一個復雜問題。4.2滑枕體的有限元分析4.2.1建立滑枕體的三維模型運用有限元分析方法的最終目標是要仿真出一個實際工程系統(tǒng)的數(shù)學行為特征，因 此必須建立準確的數(shù)學三維模型來仿真實際的物理原型。但是，由于龍門移動式車銑加 工中心的滑枕體結構比較復雜，內(nèi)部管道及安裝孔等細小結構較多，由于復雜的零件三 維模型直接導入，會導致軟件模型無法生成的問題，因此需對龍門移動式車銑加工中心 的滑枕體模型進行適當?shù)膬?yōu)化和修改，優(yōu)化的基本原則可以參考以下幾點原則：(1)在建模時力求準確，以便真實反映實際結構的靜動態(tài)特性；(2)忽略數(shù)學模型中所有小特征，包括倒角、圓角、小孔及凸臺等細微且不重要結構；(3)對數(shù)學模型中的小錐度、小曲率曲面進行直線化和平面化等處理；(4)不考慮或忽略對整體靜、動態(tài)特性影響小的零部件結構。簡化后的數(shù)學三維模型如圖4.1所示，將優(yōu)化過的三維模型導入有限元分析軟件 SolidWorks Simulation中，建立滑枕體的有限元模型。結 論本文GTM500200龍門移動式車銑加工中心的滑枕 部分的一些關鍵的技術問題展開研究及分析，并對機床的滑枕體做了有限元分析比較， 使得機床關鍵受力構件得以改進，集成了滑枕的接口技術，提升了機床與各種特殊功能 的附件頭的適用性，提高了機床的使用效率。適用于風電能源、軍工、重型機械、鐵路 及交通、航空航天、船舶等行業(yè)。主要完成了以下工作：(1)根據(jù)設計方案及參數(shù)要求，設計了一套滑枕主軸箱。對滑枕內(nèi)部結構的優(yōu)化， 采用了內(nèi)裝電主軸，節(jié)省了安裝控間；采用無螺紋及鍵連接的分段式主軸，便于實現(xiàn)動 平衡、加工及安裝；分析并比較了滑枕體的形式和材料。(2)集成并優(yōu)化了各種多功能附件頭所需的滑枕的對接接口。使滑枕對接接口能 提供內(nèi)、外冷卻液供給，附件頭外加動力電源供給，附件頭位置傳感器監(jiān)控對接，附件 頭冷卻水循環(huán)接口等。為拓展機床的功能提供了基礎。(3)優(yōu)化了滑枕體熱伸長變形問題，提出了兩種解決方案，降低了由于滑枕熱伸 長導致的加工誤差過大，從而提髙加工精度。在實際應用中，考慮到生產(chǎn)成本及技術問 題，傾向于采用殷瓦合金方案。(4)計算了滑枕體運動的Z軸靜壓腔的受力面積，得出靜壓工作所需的各項參數(shù)。 分析了滑枕導軌油腔壓力、流量、剛度之間的關系(5)應用有限元方法，分析了滑枕體的靜態(tài)及動態(tài)特性，以此檢驗并優(yōu)化了滑枕 體的設計。隨著國內(nèi)風電、核電工業(yè)以及船舶制造、航空、航天等關系國計民生的重點行業(yè)對 各種精度高、工藝多、形狀復雜的大型盤類零件的加工要求，大型龍門移動式車銑加工中 心將迎來更加廣闊的市場前景。為此我們采用模塊化設計，根據(jù)客戶要求，提供不同的 配置，例如：只保留滑枕體及少量的附件頭對接接口功能，僅提供車削功能就可應用在 重型立式車床上。并且根據(jù)不同的附件頭可將一些加工原理和工藝相近的工序集中到一 臺設備上實現(xiàn)，這種高效的加工方式已經(jīng)得到公認，是未來機床發(fā)展的方向。這也使這 套滑枕的方案及設計思路可以應用到更多的案例中。