龙门加工中心联接板的有限元建模分析(附件)
摘 要联接板作为重要的支撑和导向部件，在龙门加工中心起着不可替代的作用。联接板的静动态特性对龙门加工中心的加工质量及工作性能有着重要影响。本文根据联接板的结构特点在三维建模软件SolidWorks中建立了三维模型，并利用有限元仿真软件ANSYS对联接板进行了静力分析和模态分析。通过仿真分析，找出了联接板结构的薄弱位置，为其结构的生产设计提供理论依据。本文详细阐述了利用ANSYS对联接板进行结构分析的具体步骤和所得结果，对工程实践具有重要的实用价值。
目 录
第一章 前言 1
1.1本文研究背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3课题研究目的与内容 2
1.3.1课题研究目的 2
1.3.2 课题研究内容 2
第二章 有限元分析方法理论及软件介绍 3
2.1有限元分析理论 3
2.2有限元分析基本步骤 3
2.3有限元软件ANSYS简介 4
第三章 联接板静力分析 6
3.1三维建模 6
3.2划分网格 7
3.3设置约束 10
3.4施加重力载荷 11
3.5重力载荷下的求解及后处理 12
3.6施加工作载荷 16
3.7工作载荷下的应力应变情况 17
第四章 联接板模态分析 19
4.1模态分析在ANSYS中的设置 19
4.2模态分析结果 21
第五章 结束语 25
致 谢 28
参考文献 29
第一章 前言
1.1本文研究背景
当今社会科技飞速发展，大量先进刀具的涌入对数控机床的工作效率、精度和光洁度都提出了更高的要求。各国学者在实践中均发现机床的各种加工性能受其结构的静动态特性影响很大，对机床静动态特性的改善可以大幅提高机床的加工精度与工作效率、提高机床的使用寿命、降低机床噪声。因此，开展数控机床的静动态分析，对其结构进行优化设计成了数控机床行业发展的主流趋势[1]。
龙门加工中心机床因具有加工跨度大、热变形特性好，加工效率高、机床刚度高等
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
优点，被广泛应用于我国航天、船舶、铁路、机床等制造行业中大型零件的加工。龙门加工中心机床通过轮廓铣削对工件进行曲面加工，其性能的好坏将直接影响工件的加工精度与表面质量。
联接板是龙门加工中心机床的关键零部件之一，承载了十字滑枕、主轴箱、滑座等重要部件的重力和机床工作时产生的切削力[2]。作为龙门加工中心的重要部件，联接板性能的好坏直接关系到机床整体性能的好坏，而联接板性能的好坏主要取决于其静动态特性。因此，对联接板进行静动态特性分析具有实际意义。
目前，国内机床的结构设计大部分仍沿用传统的结构计算方法，虽具有一定的理论依据和可靠性，但由于机床结构比较复杂，使用传统计算方法时需要进行大量简化，导致最后的计算结果出现偏差。传统的计算方法还存在计算冗杂、耗时长等缺点。在进行实际的结构设计时，使用传统计算方法需要去较大的安全系数，导致设计出的机床尺寸增大、重量提高，导致材料的浪费，并难以提高机床的结构性能。针对传统计算方法存在的诸多不足，本文在查阅大量文献资料的基础上发现有限元分析法能很好的弥补传统的计算方法的不足。因此，本文利用有限元分析方法对龙门加工中心联接板进行了静动态性能分析，找出了现有结构存在的薄弱点。
1.2国内外研究现状
随着科学技术的进一步发展，针对龙门加工中心联接板静动态特性分析的研究发展很快，但普遍都采用有限元法对其进行分析。
密歇根大学的T. Jiang等应用有限元技术模拟了机床各部件的连接模式，对其进行动态特性分析后并提出了拓扑优化方法。
英国的Myers，Alan等对立式铣床的机构进行动力学分析，利用有限元方法得到机床静态特性，发现动态刚度较低导致被加工工件表面质量很差，证实了在重力铣削条件下，较低的动态刚度会引起严重的后果[3]。
San Won Lee对同一台小型机床进行动态分析时，用数值和实验两种方法得到的不同结果表明结合面的存在会影响实验结果，因此需要建立等效参数模型用以提高机床性能[4]。
Jung. Do Suh 等人对高速铣床的滑块结构进行有限元分析并进行优化设计，得到的新型复合结构质量更轻，抗震性能更高，大幅度提升了机床的整体性能[5]。
四川长征机床集团有限公司在研制新型龙门加工中心时，应用有限元分析对机床的静动态性能进行预测和优化，研制出了具有动态响应特性好、刚性好等优点的机床。
马新旭在研究新型龙门加工中心联接板部件结构设计时采用实验与理论相结合的方法，并采用有限元分析方法对其进行静动态特性分析，找到了影响联接板刚度不足的原因，对联接板进行了进一步的改进[6]。
付荣凯利用ANSYS软件对数控式车床联接板的有限元模型进行了静动态特性分析，得出了联接板结构在强度、振动变形等方面的结果，为进一步改进联接板提供了理论依据[7]。
1.3课题研究目的与内容
1.3.1课题研究目的
通过毕业设计，初步掌握三维建模和有限元基本理论，熟悉运用SolidWorks和ANSYS有限元软件。能够用所学理论解决实际工程问题，培养学生独立思考的能力，为以后的学习、生活打下更深的基础。
1.3.2 课题研究内容
根据龙门加工中心联接板的尺寸，用三维建模软件SolidWorks及有限元分析软件ANSYS等工具，实现从二维图纸到三维模型构建。进行了联接板的静力分析及模态分析。
第二章 有限元分析方法理论及软件介绍
在实际工作中进行静力分析时，如果分析对象结构复杂，导致系统微分方程组或者边界（初始）条件难以确定使得很能获得精确的解析解。在这种时候就需要运用数值方法来求得近似解。结构分析的数值方法可以分为两大类：有限差分法和有限元法。利用有限差分法进行分析时，需要用差分方程来替代节点微分方程中的倒数，从而得到一组线性方程。差分法虽然针对简单的求解非常有效并且易于理解，但是难以解决包含复杂结构和边界条件的问题。与差分法相比，有限元法将复杂结构分解为各个单独的系统来进行近似求解，这样就可以将复杂问题分解为简单问题来一一求解，对复杂的结构问题求解容易得多。
2.1有限元分析理论
20世纪40年代初，伴随着航空技术的飞速发展，对于飞行器结构的要求越来越高，即要求其可靠性高、强度好并且重量轻。在精确设计和计算分析的要求下，产生了矩阵力学的分析方法。后来该方法逐渐发展为有限元法并逐渐运用到求解非线性、大变形和耦合场等问题上。至今，有限元法已从最开始应用的固体力学领域到几乎可以解决任何复杂的工程问题。计算机软硬件的飞速发展使得有限元法在处理问题的速度上得到了巨大的飞跃。目前世界上有很多专业的有限元分析软件，例如：ANSYS、ADINA、MARC、ABAQUS、MSC/Nastran等。
目 录
第一章 前言 1
1.1本文研究背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3课题研究目的与内容 2
1.3.1课题研究目的 2
1.3.2 课题研究内容 2
第二章 有限元分析方法理论及软件介绍 3
2.1有限元分析理论 3
2.2有限元分析基本步骤 3
2.3有限元软件ANSYS简介 4
第三章 联接板静力分析 6
3.1三维建模 6
3.2划分网格 7
3.3设置约束 10
3.4施加重力载荷 11
3.5重力载荷下的求解及后处理 12
3.6施加工作载荷 16
3.7工作载荷下的应力应变情况 17
第四章 联接板模态分析 19
4.1模态分析在ANSYS中的设置 19
4.2模态分析结果 21
第五章 结束语 25
致 谢 28
参考文献 29
第一章 前言
1.1本文研究背景
当今社会科技飞速发展，大量先进刀具的涌入对数控机床的工作效率、精度和光洁度都提出了更高的要求。各国学者在实践中均发现机床的各种加工性能受其结构的静动态特性影响很大，对机床静动态特性的改善可以大幅提高机床的加工精度与工作效率、提高机床的使用寿命、降低机床噪声。因此，开展数控机床的静动态分析，对其结构进行优化设计成了数控机床行业发展的主流趋势[1]。
龙门加工中心机床因具有加工跨度大、热变形特性好，加工效率高、机床刚度高等
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
优点，被广泛应用于我国航天、船舶、铁路、机床等制造行业中大型零件的加工。龙门加工中心机床通过轮廓铣削对工件进行曲面加工，其性能的好坏将直接影响工件的加工精度与表面质量。
联接板是龙门加工中心机床的关键零部件之一，承载了十字滑枕、主轴箱、滑座等重要部件的重力和机床工作时产生的切削力[2]。作为龙门加工中心的重要部件，联接板性能的好坏直接关系到机床整体性能的好坏，而联接板性能的好坏主要取决于其静动态特性。因此，对联接板进行静动态特性分析具有实际意义。
目前，国内机床的结构设计大部分仍沿用传统的结构计算方法，虽具有一定的理论依据和可靠性，但由于机床结构比较复杂，使用传统计算方法时需要进行大量简化，导致最后的计算结果出现偏差。传统的计算方法还存在计算冗杂、耗时长等缺点。在进行实际的结构设计时，使用传统计算方法需要去较大的安全系数，导致设计出的机床尺寸增大、重量提高，导致材料的浪费，并难以提高机床的结构性能。针对传统计算方法存在的诸多不足，本文在查阅大量文献资料的基础上发现有限元分析法能很好的弥补传统的计算方法的不足。因此，本文利用有限元分析方法对龙门加工中心联接板进行了静动态性能分析，找出了现有结构存在的薄弱点。
1.2国内外研究现状
随着科学技术的进一步发展，针对龙门加工中心联接板静动态特性分析的研究发展很快，但普遍都采用有限元法对其进行分析。
密歇根大学的T. Jiang等应用有限元技术模拟了机床各部件的连接模式，对其进行动态特性分析后并提出了拓扑优化方法。
英国的Myers，Alan等对立式铣床的机构进行动力学分析，利用有限元方法得到机床静态特性，发现动态刚度较低导致被加工工件表面质量很差，证实了在重力铣削条件下，较低的动态刚度会引起严重的后果[3]。
San Won Lee对同一台小型机床进行动态分析时，用数值和实验两种方法得到的不同结果表明结合面的存在会影响实验结果，因此需要建立等效参数模型用以提高机床性能[4]。
Jung. Do Suh 等人对高速铣床的滑块结构进行有限元分析并进行优化设计，得到的新型复合结构质量更轻，抗震性能更高，大幅度提升了机床的整体性能[5]。
四川长征机床集团有限公司在研制新型龙门加工中心时，应用有限元分析对机床的静动态性能进行预测和优化，研制出了具有动态响应特性好、刚性好等优点的机床。
马新旭在研究新型龙门加工中心联接板部件结构设计时采用实验与理论相结合的方法，并采用有限元分析方法对其进行静动态特性分析，找到了影响联接板刚度不足的原因，对联接板进行了进一步的改进[6]。
付荣凯利用ANSYS软件对数控式车床联接板的有限元模型进行了静动态特性分析，得出了联接板结构在强度、振动变形等方面的结果，为进一步改进联接板提供了理论依据[7]。
1.3课题研究目的与内容
1.3.1课题研究目的
通过毕业设计，初步掌握三维建模和有限元基本理论，熟悉运用SolidWorks和ANSYS有限元软件。能够用所学理论解决实际工程问题，培养学生独立思考的能力，为以后的学习、生活打下更深的基础。
1.3.2 课题研究内容
根据龙门加工中心联接板的尺寸，用三维建模软件SolidWorks及有限元分析软件ANSYS等工具，实现从二维图纸到三维模型构建。进行了联接板的静力分析及模态分析。
第二章 有限元分析方法理论及软件介绍
在实际工作中进行静力分析时，如果分析对象结构复杂，导致系统微分方程组或者边界（初始）条件难以确定使得很能获得精确的解析解。在这种时候就需要运用数值方法来求得近似解。结构分析的数值方法可以分为两大类：有限差分法和有限元法。利用有限差分法进行分析时，需要用差分方程来替代节点微分方程中的倒数，从而得到一组线性方程。差分法虽然针对简单的求解非常有效并且易于理解，但是难以解决包含复杂结构和边界条件的问题。与差分法相比，有限元法将复杂结构分解为各个单独的系统来进行近似求解，这样就可以将复杂问题分解为简单问题来一一求解，对复杂的结构问题求解容易得多。
2.1有限元分析理论
20世纪40年代初，伴随着航空技术的飞速发展，对于飞行器结构的要求越来越高，即要求其可靠性高、强度好并且重量轻。在精确设计和计算分析的要求下，产生了矩阵力学的分析方法。后来该方法逐渐发展为有限元法并逐渐运用到求解非线性、大变形和耦合场等问题上。至今，有限元法已从最开始应用的固体力学领域到几乎可以解决任何复杂的工程问题。计算机软硬件的飞速发展使得有限元法在处理问题的速度上得到了巨大的飞跃。目前世界上有很多专业的有限元分析软件，例如：ANSYS、ADINA、MARC、ABAQUS、MSC/Nastran等。
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