基于Pro/MECHANICA的機床拖板有限元模態(tài)分析

2013-05-07 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

本文介紹了基于Pro/MECHANICA的機床工作臺拖板的有限元建模和分析過程,并將分析結(jié)果與常用的通用有限元分析軟件ANSYS的分析結(jié)果進行了比較。通過比較得出結(jié)論:有限元工程師完全可以利用Pro/MECHANICA軟件實現(xiàn)實體建模和有限元計算的無縫集成,并且能夠保證有限元分析的計算精度,提高設(shè)計工程師的工作效率。
一、引言

機床支承件(如床身、立柱、拖板等)是機床的基礎(chǔ)部件,起著承受力和容納各種零部件作用。支承件的動態(tài)性能直接影響到加工工件的精度和生產(chǎn)效率,所以要求設(shè)計出的機床支承件必須具有足夠的動、靜態(tài)剛度。

長期以來,國內(nèi)外機床支承件一般采用經(jīng)驗設(shè)計,但為了保證機床具有良好的動、靜態(tài)性能,并盡可能減輕其重量,就要進行精密的理論計算。機床支承件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,至今尚未找到一種精確的方法來計算其動態(tài)性能。但隨著計算技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,工程師可以依靠數(shù)值方法給出近似的、較令人滿意的答案。目前,在諸多方法中,用有限元建立機械系統(tǒng)動力分析的數(shù)學(xué)模型已成為其理論建模中最重要的方法。盡管有限元法還屬于一種近似計算方法,對于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受力情況和阻尼情況復(fù)雜的支承件來說計算精度并不是很高,但它對于計算支承件動態(tài)性能仍是一種最有效的方法。目前,用它來計算一般復(fù)雜程度的支承件的動態(tài)性能,完全可以得到較為滿意的計算結(jié)果。

這里將利用美國PTC開發(fā)的有限元軟件,Pro/MECHANICA對機床支承件中的拖板進行有限元分析,計算出該零件的固有頻率和振型,為分析拖板的表面振動響應(yīng)作必要的準(zhǔn)備,也為機床拖板、床身、立柱等支承件的設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)。

二、當(dāng)前常用的有限元分析軟件及其特點

目前對機械零件進行有限元分析一般采用通用有限元分析軟件,如ANSYS、MARC等。它們擁有豐富完善的單元庫、材料模型庫和求解器,并且具有相對獨立的前、后處理模塊,可以獨立完成多學(xué)科、多領(lǐng)域的工程分析問題。其缺點是前處理模塊中的幾何建模功能不強,無法完成復(fù)雜模型的建模,因此降低了結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的可信度。一些流行的三維設(shè)計軟件卻具有極強的幾何模型的建模功能,如proeNGINEER、UG和CATIA等。這些三維設(shè)計軟件可以完成一些復(fù)雜的幾何模型的建模工作。為了克服通用有限元分析軟件建模功能較弱的缺點,當(dāng)前普遍采用軟件間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,即采用三維設(shè)計軟件進行精確的三維建模,通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口將模型以IGES、DXF或STEP格式讀入到通用有限元分析軟件中,然后通過該軟件進行精確的計算。

在模型轉(zhuǎn)換過程中常常會出現(xiàn)一些問題,特別是將一些復(fù)雜模型轉(zhuǎn)換到有限元軟件后也會出現(xiàn)一些面和線的丟失、無法對模型中的一些特征進行網(wǎng)格劃分等問題。所以在模型轉(zhuǎn)換后,要花費大量的時間和精力在有限元軟件中進行幾何模型修補工作,這必然導(dǎo)致模型的不一致且增加了工作量。雖然一些有限元軟件開發(fā)出了完善的數(shù)據(jù)接口,可以精確地將CAD平臺上生成的絕大部分幾何模型導(dǎo)入到有限元軟件中,但是兩種軟件的同時使用對設(shè)計平臺的軟硬件提出了更高的要求,會大大增加一些中小企業(yè)的經(jīng)濟負擔(dān)。

通過對各種有限元軟件的對比分析我們發(fā)現(xiàn),Pro/MECHANICA可以實現(xiàn)與proeNGINEER的完全無縫集成,該軟件可以直接利用proeNGINEER生成的幾何模型進行有限元分析。由于proeNGINEER具有強大的參數(shù)化功能,那么在Pro/MECHANICA中就可以利用該優(yōu)點進行模型的靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計。具體地說,當(dāng)模型的一個或多個參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時,求解出滿足一定設(shè)計指標(biāo)(如質(zhì)量最小、應(yīng)力最小等)的最佳幾何模型。

三、機床拖板有限元模型的建立和計算

1.建立幾何模型

這里分析的是一臺數(shù)控高速銑齒機床的X方向的拖板。該機床用于對大模數(shù)、大直徑齒輪的粗加工。由于該拖板結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,所以選用proeNGINEER軟件進行三維實體建模。
利用proeNGINEER軟件建立的機床拖板幾何模型,如圖1所示。

一、引言

二、當(dāng)前常用的有限元分析軟件及其特點

三、機床拖板有限元模型的建立和計算

1.建立幾何模型

這里分析的是一臺數(shù)控高速銑齒機床的X方向的拖板。該機床用于對大模數(shù)、大直徑齒輪的粗加工。由于該拖板結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,所以選用proeNGINEER軟件進行三維實體建模。
利用proeNGINEER軟件建立的機床拖板幾何模型,如圖2所示。

圖2 在拖板上施加的約束

4.劃分網(wǎng)格

在MEC SRTUCT菜單中選擇MESH菜單選項進行網(wǎng)格的定義和劃分,并對劃分網(wǎng)格的質(zhì)量進行檢查,不符要求的網(wǎng)格將在有限元網(wǎng)格模型中以紅色顯示出來。拖板的有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 拖板有限元網(wǎng)格模型

5.建立分析任務(wù),進行有限元計算

在MEC STRUCT菜單中選擇Analyses/Studies,在系統(tǒng)彈出的Analyses and Design Studies對話框中選擇File→New Modal...,彈出模態(tài)分析任務(wù)定義對話框,在此對話框中設(shè)定分析任務(wù)后進行分析計算。

四、機床拖板有限元模態(tài)分析結(jié)果

對機床拖板有限元模型的求解,一般不需要求出振動系統(tǒng)的全部固有頻率和振型,由于低階模態(tài)對振動系統(tǒng)的影響較大,因此本文僅計算了前三階模態(tài)。同時,為了驗證有限元軟件Pro/MECHANICA用于機床零件模態(tài)計算的的正確性,本文另外采用了當(dāng)前流行的通用有限元分析軟件ANSYS對機床拖板進行有限元模態(tài)計算,計算出前三階固有頻率和振型,并與Pro/MECHANICA的計算結(jié)果進行了比較。固有頻率的對比如表1所示,前三階振型圖對比如圖4所示。

a)proeNGINEER一階振型圖

b)ANSYS一階振型圖

c)proeNGINEER二階振型圖

d)ANSYS二階振型圖

e)proeNGINEER三階振型圖

f)ANSYS三階振型圖

圖4 拖板各階振型圖

根據(jù)計算結(jié)果,該拖板在1200Hz以內(nèi)共有三階模態(tài)。第一階模態(tài)的振型為拖板兩側(cè)圍繞Y軸擺振,第二階模態(tài)的振型為拖板繞Z軸的不規(guī)則扭振,第三階模態(tài)的振型為拖板繞Y軸波浪形擺動和拖板邊角的部分扭振。通過有限元模態(tài)計算得出機床拖板的危險工作頻率在500~600Hz。

從計算結(jié)果可以看出,固有頻率都在500Hz以上,該機床拖板整體固有頻率較高,遠離正常工作頻率,可知拖板的剛性比較好。拖板的絲杠座作為機床傳動系統(tǒng)裝置絲杠的支承,必須具有較高的結(jié)構(gòu)剛度。通過上面的計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),絲杠座振動的相對位移量較小,振動很小,具有較高的局部剛度,從而增強了數(shù)控機床整個進給系統(tǒng)的傳動剛度,保證了傳動系統(tǒng)的精度。另外,由振型圖可看出,雖然拖板兩側(cè)的振動量最大,但由于其振動是沿Y軸的對稱振動,這樣可以保證拖板上的工作臺只有微小垂向位移而不會左右擺動。該銑齒機床用于加工直齒輪,加工過程中拖板振動引起工作臺的微小垂向不會影響齒輪的加工精度,滿足了機床拖板的設(shè)計要求。

通過比較發(fā)現(xiàn),兩種有限元軟件計算出的第三階固有頻率值相差最大,但是兩個頻率值只相差1.78%,計算結(jié)果非常接近。當(dāng)前ANSYS軟件普遍用于各種結(jié)構(gòu)的模態(tài)計算,其計算結(jié)果具有較強的可信度,因此,Pro/MECHANICA軟件計算出的結(jié)果也具有較高的精度。

五、結(jié)論

(1)本文通過對機床拖板的有限元動力學(xué)模型的模態(tài)分析,算出了該機床零件的前三階固有頻率和振型。通過振型和動畫顯示可以很直觀地分析機床拖板的動態(tài)性能,并且找到零件的薄弱環(huán)節(jié),為機床支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。

(2)本文在分析了通用有限元的一些缺點的基礎(chǔ)上,提出了采用Pro/MECHANICA有限元分析軟件對拖板進行模態(tài)分析的想法,并通過它實現(xiàn)了實體建模和有限元分析計算的無縫集成,提高了有限元分析工作的效率。通過與ANSYS軟件的計算結(jié)果進行比較,我們發(fā)現(xiàn)Pro/MECHANICA有限元模態(tài)計算結(jié)果也具有足夠的計算精度。這為其他的機床支承件的設(shè)計提供了新的方法。

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