龙门加工中心横梁的有限元建模分析
摘 要在龙门加工中心的总体结构中，横梁是其结构中非常重要的部件。横梁是一个极其重要的结构部件，它起着连接滑鞍、拖板等关键零部件的作用。横梁自身的设计尺寸和布局形式决定了其动、静态特性，如动、静刚度的大小和结构的模态振型等特征。横梁结构的动、静态特性与加工中心的整机性能有着密切关系，因此如何提高横梁的动态特性对于保证整机的加工精度和效率具有重要意义。这次课题根据已经给出的相关条件：已经知道龙门加工中心横梁的尺寸，运用三维建模软件和有限元分析软件等工具，来完成分析课题中对象优化，首先建立三维模型，然后学会有限元软件的使用，并且以有限元软件来作为工具对建成的三维模型进行力学上的仿真分析，最后得出相关的分析结果，并且结合理论讨论结果的准确性与否[1]。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题的研究背景及意义 1
1.2横梁在国内外的发展状况及趋势 1
1.2.1横梁在国内外的目前发展状况 1
1.2.2横梁在国内外的未来发展状况 1
1.3课题研究的内容 1
第二章 横梁的模型的建立 3
2.1Pro/E软件介绍 3
2.2横梁的模型建立 3
第三章 有限元分析及软件介绍 4
3.1有限元分析的介绍 4
3.2有限元分析的发展状况 4
3.2.1结合CAD软件的使用 4
3.2.2网格处理能力的变化 4
3.2.3解决线性问题到解决非线性问题的发展 5
3.3有限元的基本理论 5
3.4有限元软件Abaqus和Hypermesh的介绍 5
第四章 横梁的结构分析与优化 7
4.1原来横梁结构的模型分析 7
4.2横梁模型优化及其优化效果 9
结束语 12
致 谢 13
参考文献 14
第一章 绪论
1.1课题的研究背景及意义
在如今的这个社会，随着科技的进步，龙门加工中心已经成为工程机械和机床等诸多行业中不可或缺的重要的工艺加工设备。而在龙门加工中心的总体结构中，横梁是一个极其重要的结构大件，
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
它起着连接滑鞍、拖板等关键零部件的作用。横梁自身的设计尺寸和布局形式决定了其动、静态特性，如动、静刚度的大小和结构的模态振型等特征。横梁结构的动、静态特性与加工中心的整机性能有着密切关系，因此如何提高横梁的动态特性对于保证整机的加工精度和效率具有重要意义。传统的龙门机床横梁结构设计尚处于经验、类比、静态的设计阶段，难于从结构的动态特性方面考虑对于整机性能的影响。
通过对横梁结构的动力学特性进行分析，找出横梁在动力学特性上的缺陷，并针对这些缺陷进行改进。在改进设计中，分析横梁内部筋板不同形式和布局，以及设计参数对横梁动态性能的影响。通过横梁结构筋板布局设计参数的灵敏度分析，探讨和实现五坐标龙门加工中心横梁和其它零部件结构的动态优化设计[2]。
1.2横梁在国内外的发展状况及趋势
1.2.1横梁在国内外的目前发展状况
在国内外，由于场需求比较广泛，导致许多从来没有接触龙门加工中心研制的机床生产厂家也加入进来，开发并研制各种龙门加工中心。机床加工的研究重点是快速与高精准的加工，这同时也给一些大型的龙门加工中心的设计提出了更高的要求。龙门加工中心一般用的是横梁固定，工作台运动的一种结构方式，这种结构实现快速加工较难，所以就运用了其它方式式，如高架桥式。
1.2.2横梁在国内外的未来发展状况
像横梁移动，工作台静止的这种结构方式的龙门加工中心，可以很好的防止质量较大的工作台和工件运动对整体动态特性的影响，可以实现快速、高精度的加工。横梁作为机构中的一个移动部件，就必须要求它要有较轻的质量、较高的静态与动态刚度，这在横梁的结构设计上带来了相当大的难度。采用传统的设计，已经不能在设计过程中提前知晓横梁和整个的结构动静态特性，想要一次性设计成功，并且结构也要达到最优化的设计。这就必须将现代设计方法运用到横梁的结构设计过程中，将有限元分析技术运用到机床的结构设计中。
1.3课题研究的内容
我们要依据已经给出的相关条件：已经知道龙门加工中心横梁的尺寸，运用
三维建模软件和有限元分析软件等工具，来完成分析课题中对象并要进行相关的优化，首先要把三维模型建立起来，接着要学会使用相关的一些有限元软件，最后使用有限元软件对建成的三维模型进行力学上的仿真分析，最终得出相关的分析结果，接着结合理论讨论结果的准确性。
本课题研究重点难点就在于龙门加工中心横梁的有限元建模分析。为了完成这一工作，我将按照以下几个方法步骤来实施。
1、建立相关的三维模型；
2、熟练CAD到CAE的模型转换；
3、熟练使用CAE，并对模型的网格进行划分和计算；
4、根据龙门加工中心横梁的分析结果，判断它的合理性，给予建议与修改措施。
第二章 横梁的模型的建立
2.1Pro/E软件介绍
Pro/Engineer操作软件是一款CAD/CAM/CAE一体化的三维软件，它来由美国参数技术公司（PTC)发明的。参数化是Pro/Engineer软件主要技术，它可以说是最早使用参数化技术的，Pro/E在三维造型软件领域中有着举足轻重的地位，它因为作为国际上机械CAD/CAE/CAM领域的典范，所以得到广大用户的支持，而且得到推广。Pro/E在国内产品设计领域占据非常重要的地位，它已经成为当下CAD/CAM/CAE软件中主流之一。
Pro/E不但是首个有参数化设计这种想法的，而且运用简单数据库对特征的有关问题进行解决。它还有一方式就是模块化，广大用户可以必安装所有模块，只需要选择自身需要的。能够实现设计整个过程，如从设计到生产的整个经过是Pro/E的基于特征方式。它既可以在工作站上得到运用，而且还可以运用在在单个机器上。
2.2横梁的模型建立
我们将根据应经给出的数据来建立横梁的三维模型。通过Pro/E软件建立的横梁的三维模型如图21。
图21.横梁
第三章 有限元分析及软件介绍
3.1有限元分析的介绍
有限元方法是由工程师提出来的的数学计算方法，这种计算方法出现以后，其在工程计算的领域中有着举足轻重的地位。它是运用了数学相近似的方法，及模拟真实的物理系统。并且运用里许多相关元素，及单元，所以就可以用有限数量的未知量去接近无限未知量的真实系统。
利用了相对容易的问题来取替比较繁杂的问题之后，再来求出解，这就是有限元分析。由很多个被认为是有限元的小互连子域组成的部分，被当做是求解域。在单元中找到一个差不多的结果值，接着进行分析，求解出最终结果来满足这个域，最终得到问题的答案。然而得到的答案只是相近似解，这是因为现实的情况取代了一些比较容易解决的问题。很多的现实情况的一般不太容易得到结果，但是有限元它不但计算能力强，并能够适应种种复杂的形状，在许多问题上的分析能力也是有目共睹的。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题的研究背景及意义 1
1.2横梁在国内外的发展状况及趋势 1
1.2.1横梁在国内外的目前发展状况 1
1.2.2横梁在国内外的未来发展状况 1
1.3课题研究的内容 1
第二章 横梁的模型的建立 3
2.1Pro/E软件介绍 3
2.2横梁的模型建立 3
第三章 有限元分析及软件介绍 4
3.1有限元分析的介绍 4
3.2有限元分析的发展状况 4
3.2.1结合CAD软件的使用 4
3.2.2网格处理能力的变化 4
3.2.3解决线性问题到解决非线性问题的发展 5
3.3有限元的基本理论 5
3.4有限元软件Abaqus和Hypermesh的介绍 5
第四章 横梁的结构分析与优化 7
4.1原来横梁结构的模型分析 7
4.2横梁模型优化及其优化效果 9
结束语 12
致 谢 13
参考文献 14
第一章 绪论
1.1课题的研究背景及意义
在如今的这个社会，随着科技的进步，龙门加工中心已经成为工程机械和机床等诸多行业中不可或缺的重要的工艺加工设备。而在龙门加工中心的总体结构中，横梁是一个极其重要的结构大件，
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
它起着连接滑鞍、拖板等关键零部件的作用。横梁自身的设计尺寸和布局形式决定了其动、静态特性，如动、静刚度的大小和结构的模态振型等特征。横梁结构的动、静态特性与加工中心的整机性能有着密切关系，因此如何提高横梁的动态特性对于保证整机的加工精度和效率具有重要意义。传统的龙门机床横梁结构设计尚处于经验、类比、静态的设计阶段，难于从结构的动态特性方面考虑对于整机性能的影响。
通过对横梁结构的动力学特性进行分析，找出横梁在动力学特性上的缺陷，并针对这些缺陷进行改进。在改进设计中，分析横梁内部筋板不同形式和布局，以及设计参数对横梁动态性能的影响。通过横梁结构筋板布局设计参数的灵敏度分析，探讨和实现五坐标龙门加工中心横梁和其它零部件结构的动态优化设计[2]。
1.2横梁在国内外的发展状况及趋势
1.2.1横梁在国内外的目前发展状况
在国内外，由于场需求比较广泛，导致许多从来没有接触龙门加工中心研制的机床生产厂家也加入进来，开发并研制各种龙门加工中心。机床加工的研究重点是快速与高精准的加工，这同时也给一些大型的龙门加工中心的设计提出了更高的要求。龙门加工中心一般用的是横梁固定，工作台运动的一种结构方式，这种结构实现快速加工较难，所以就运用了其它方式式，如高架桥式。
1.2.2横梁在国内外的未来发展状况
像横梁移动，工作台静止的这种结构方式的龙门加工中心，可以很好的防止质量较大的工作台和工件运动对整体动态特性的影响，可以实现快速、高精度的加工。横梁作为机构中的一个移动部件，就必须要求它要有较轻的质量、较高的静态与动态刚度，这在横梁的结构设计上带来了相当大的难度。采用传统的设计，已经不能在设计过程中提前知晓横梁和整个的结构动静态特性，想要一次性设计成功，并且结构也要达到最优化的设计。这就必须将现代设计方法运用到横梁的结构设计过程中，将有限元分析技术运用到机床的结构设计中。
1.3课题研究的内容
我们要依据已经给出的相关条件：已经知道龙门加工中心横梁的尺寸，运用
三维建模软件和有限元分析软件等工具，来完成分析课题中对象并要进行相关的优化，首先要把三维模型建立起来，接着要学会使用相关的一些有限元软件，最后使用有限元软件对建成的三维模型进行力学上的仿真分析，最终得出相关的分析结果，接着结合理论讨论结果的准确性。
本课题研究重点难点就在于龙门加工中心横梁的有限元建模分析。为了完成这一工作，我将按照以下几个方法步骤来实施。
1、建立相关的三维模型；
2、熟练CAD到CAE的模型转换；
3、熟练使用CAE，并对模型的网格进行划分和计算；
4、根据龙门加工中心横梁的分析结果，判断它的合理性，给予建议与修改措施。
第二章 横梁的模型的建立
2.1Pro/E软件介绍
Pro/Engineer操作软件是一款CAD/CAM/CAE一体化的三维软件，它来由美国参数技术公司（PTC)发明的。参数化是Pro/Engineer软件主要技术，它可以说是最早使用参数化技术的，Pro/E在三维造型软件领域中有着举足轻重的地位，它因为作为国际上机械CAD/CAE/CAM领域的典范，所以得到广大用户的支持，而且得到推广。Pro/E在国内产品设计领域占据非常重要的地位，它已经成为当下CAD/CAM/CAE软件中主流之一。
Pro/E不但是首个有参数化设计这种想法的，而且运用简单数据库对特征的有关问题进行解决。它还有一方式就是模块化，广大用户可以必安装所有模块，只需要选择自身需要的。能够实现设计整个过程，如从设计到生产的整个经过是Pro/E的基于特征方式。它既可以在工作站上得到运用，而且还可以运用在在单个机器上。
2.2横梁的模型建立
我们将根据应经给出的数据来建立横梁的三维模型。通过Pro/E软件建立的横梁的三维模型如图21。
图21.横梁
第三章 有限元分析及软件介绍
3.1有限元分析的介绍
有限元方法是由工程师提出来的的数学计算方法，这种计算方法出现以后，其在工程计算的领域中有着举足轻重的地位。它是运用了数学相近似的方法，及模拟真实的物理系统。并且运用里许多相关元素，及单元，所以就可以用有限数量的未知量去接近无限未知量的真实系统。
利用了相对容易的问题来取替比较繁杂的问题之后，再来求出解，这就是有限元分析。由很多个被认为是有限元的小互连子域组成的部分，被当做是求解域。在单元中找到一个差不多的结果值，接着进行分析，求解出最终结果来满足这个域，最终得到问题的答案。然而得到的答案只是相近似解，这是因为现实的情况取代了一些比较容易解决的问题。很多的现实情况的一般不太容易得到结果，但是有限元它不但计算能力强，并能够适应种种复杂的形状，在许多问题上的分析能力也是有目共睹的。
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