基于ANSYS的数控机床动态特性分析.doc

数控机床日益向高精度、高刚度、高速度的方向发展，要保证加工零件的高精度以及工作的安全可靠性，机床各结构部件就必须具有良好的动态特性，因此必须对主要部件做动力学研究。以ADAMS,ANSYS等为代表的虚拟动力学研究是一种先进的方法，可以节省投资，缩短开发产品周期。主要借助于ANSYS的虚拟弹性体动力学的研究包括两个方面:模态分析和谐响应分析，研究的是机床的动态特性参数，如固有频率、动力响应位移、动力响应应力和噪声指标等。以ZK7640机床立柱为例采用ANSYS进行了动态特性分析，得到了立柱的固有频率和各阶振型图，以及应变云图。通过分析结果可得到原设计中存在的问题及结构的薄弱环节，并依此对机床结构进行改进。 1 动态特征分析理论 ??? 根据机械振动学基础理论，n自由度线性系统的运动微分方程为: ??? 式中:M,C,K—系统的质量、阻尼和刚度矩阵;x(t)和ft)—系统各点的位移响应向量和激励向量。 ??? 1.1 模态分析理论??? ??? 模态分析用于确定设计中的结构或机器部件的振动特性，是谐响应分析的起点。固有频率和主振型是模态分析的基础，是振动系统的自然属性。模态分析研究的系统处在无阻尼自由振动情况下，系统的自由振动可表示为: ??? 弹性体的自由振动可分解为一系列简谐振动的叠加，因此式(2)的解可设为: ??? 式中:ω—简谐振动的频率;t—时间变量“t0—由初始条件确定的时间常数。代(3)人(2)得到特征值和特征向量分别对应系统的固有频率和主振型。 ??? 1.2 谐响应分析理论 ??? 谐响应分析用于分析持续的周期载荷在结构系统中产生的持续周期响应，以及确定线性结构承受随时间按正弦或简谐规律变化的载荷时稳定响应的一种技术。求解式(1)的非齐次方程所得的特征解反映输入载荷的特点。 2 有限元模型建立 ??? 有限元的基本思想是将连续的结构离散为有限个单元，并在每个单元中设定有限个节点，将连续的物体看作是只在节点处相连的一组单元的集合体。同时选定场函数的节点作为基本未知量，并在每一个单元中假设一近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律;进而利用力学中的某些变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题。 ??? 在PRO/E中建立ZK7640数控机床的立柱，转换成IEGS格式导入ANSYS中，要注意PRO/E与ANSYS的单位设置要统一。建模时忽略了立柱上的装配工艺孔、过渡圆角等细节，有利于网格的划分，节省大量分析时间。 ??? 单元类型采用10节点四面体实体Solid l0node92，能利用更复杂的形状函数，可以对结构的实际变形更真实的表达。分网方式为智能控制自由网格划分。 ??? 单元的材料为结构钢，弹性模量，密度,泊松比у=0．3。网格划分后的模型，如图l所示。 3 模态分析 ??? 在此次模态分析中，模态提取方法选用精度较高的子空间法(Subspace)，子空间法能充分利用[K]和[M]的稀疏带状性质而且能一次求出前几个模最大的广义特征值和对应的特征向量，在求解大型结构的少数特征时是很有效的。由于立柱的振动可表示为各阶固有振型的线性组合，且低阶固有振型对动态特性起决定作用，故取前6阶模态进行分析。 ??? 立柱通过螺栓安装在床身上，故约束设置为立柱底座的固定约束。计算得到前6阶的固有频率、最大变形位移如表l所示。各阶振型的振型云图，如图2～图7所示。 图1网格划分后的立柱模型 表1模态分析结果 图2一阶振型 图3二阶振型 图4三阶振型 图5四阶振型 图6五阶振型 图7六阶振型 ??? 由振型云图可以看出，立柱的上半部分变形比较大，从上往下逐渐减小。变形的最大位移基本处于立柱顶部靠后的区域。而立柱上由于悬挂主轴箱将受到一个较大的弯曲力矩，因此必须通过加上加强筋来加强立柱刚度，减少振动和变形。考虑到立柱内部要留出相当的空间来安装配重，选用内侧加强筋立柱，可选用封闭式三角形加强筋，确保机床具有稳定、强韧的基础。