ABAQUS部件横梁模型的CAD建立
ABAQUS部件横梁模型的CAD建立
1 引言
1．1 国内机床发展现状综述
1.1.1 国家政策与规划
在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》中，从国家战略的高度规划了高端数控机床的发展，针对目前国产机床占有率偏低的问题，国家将采取多种措施予以解决。
围绕机床行业“十二五”发展目标，确立了三项重点任务，其中一项任务围绕中高档机床工具产品，强调要大力提高竞争力及产业化水平。
1.1.2 机床行业的发展空间
机床行业产值小于GDP的百分之一，却是经济发展的重要支柱产业。工业化发展时至今日，装备制造业产业升级已是大势所趋额。横向比较德国和日本，中国机床行业销售额占工业增加值的比重相对比较低，只有0.8﹪左右，伴随着工业化的发展，比例预计会有一定的增大。机床行业的规模很难满足制造业的发展需求，显示了机床行业发张空间很大。
1.1.3 国内机床发展前景
作为装备制造业的基础设备与工作母机，当前要使装备制造业振兴，第一步要振兴机床工业。机床行业作为被列入为战略性新型行业中的一个，其发展前景极好。由于产业升级，高档数控机床需求攀升，而中低档的则下降。
1. 2 数控加工中心机床简介
数控加工中心机床是一种带自动换刀装置的数控机床，是一般数控机床加装了一个刀库和自动换刀装置后的机床，它和一般的数控机床相比具有如表1.1所示的优点。
表1.1数控加工中心机床与普通数控机床加工过程比较表
加工需要的机床数量 装夹次数 定位误差 加工时间 生产率 专用装夹数量
普通数控机床 多台 多次 大 长 低 多
数控加工中心机床 一台 一次 小 短 高 少
1. 3 加工中心部件研究现状
天津大学的张兴朝等人在龙门式立柱的结构设计方面首创了元结构的概念，机床主要部件元结构的动态特性可以用有限元方法方便获得，动态特性较好的元结构被选出，作为立柱的整体结构设计的备用元结构。该结构设计表明，基于元结构的动态设计，不仅避免结构拓扑优化的复杂繁琐过程，而且能得到比较好的设计结果，是一种行之有效的设计方法。
上海交大的朱军，利用ansys对高速立式铣床XH786A整体的有限元参数模型进行动静态分析，以振型为依据，找出影响机床加工精度的薄弱部分的位置。把整天作为约束，把结构柔顺度设为目标函数对此薄弱部分进行了拓扑优化，优化结果较好。
吉林大学的陆凯，对研究对象机床整体进行精确建模，而后对此模型进行静力分析，模态分析以及谐响应分析，这样对象机床的整体动态特性和静态特性即可确定。依据上述结果设计横梁的驱动机构以及控制调节机构，研究驱动布局出于不同位置时，机床各主要部件受其影响情况，根据研究结果，优化原驱动布局，产生新的驱动布局。
厦门大学的洪昊，研究某型平面磨床，发现其加工精度不足，因此拟提高其结构动刚度。具体做法为：首先对机床关键部件进行动力学分析，同理再先后分析机床结合面与整体，依据以上分析结果对相应的结构进行了改进。该课题的动态性能研究主要利用了有限元方法与动态测试相结合的方法，对薄弱结构的改进分析利用方案比较法。
1. 4 关于本课题的相关研究内容介绍
1.4.1 课题来源及所研究的对象
本文所研究的机床的是天津第二机床厂生产的型号为：MKM5115X120/F-00001悬臂导轨数控加工中心机床。
该加工中心如图1所示主要由立柱、横梁、床鞍、滑板、床身五部分组成。床身通过地脚螺钉固定在地面上，床身上有长导轨，立柱在该长导轨上游走，即可在Z方向上往复运动。横梁通过螺栓连结固定在立柱上。床鞍的沟槽处有导轨，滑板在该导轨上运动，即可实现y方向上往复运动。通过以上x、y、z三个方向上往复运动，连接在滑板上的工作部分可以到达制定加工位置，可加工区域范围大。
横梁固定在立柱上，两端悬空，一端很短，一端很长。根据其尺寸，横梁可简化为一悬臂梁。横梁承受压力、弯矩、扭矩、其刚度与强度对加工精度和零件表面质量有重要影响。
1 床身 2 立柱 3 横梁 4 床鞍 5 滑板
图1.1 MKM5115X120/F-00001 悬臂导轨数控加工中心机床模型图
1.4.2 研究内容及文章结构
前几年该机床需求旺盛，设计及生产周期较短，当时设计为单立柱式机构是为了节约成本。但随着用户对加工精度要求的提高，单立柱悬臂梁的结构精度已不能满足用户的需求。针对上述情况，通过对该加工中心进行有限元分析，找出影响其加工精度的因素，结合因素的具体情况，给出解决方法，最终达到提高加工中心横梁刚度和适当减小横梁质量的要求。本文主要内容如下：
（1）第一章为绪论部分，综述了国内机床现状与发展，简述了数控机床及普通机床的区别与优势，阐述了数控加工中心部件研究现状，说明了课题来源及研究对象。
（2）第二章为有限元理论及其分析软件ABAQUS简介。介绍了有限元方法的基本思想、理论方法与实际应用的方法，以及有限元理论方法的分析步骤，列举了ABAQUS的优势表现、产品模块及相互关系、分析步骤。
（3）第三章为加工中心的横梁部件模型等等建立。概述了solidworks实体建模的过程，说明了横梁几何模型的简化方法，给出了选择单元类型的依据。
（4）第四章为加工中心的横梁模型的有限元分析，叙述了横梁如何选择材料，设定约束以及施加外部载荷，概述了第一强度理论。对横梁进行了强度、刚度、模态分析。
（5）第五章为横梁结构的优化设计，介绍了横梁边界约束条件的调整以及调整后对比调整前的变化情况。
（6）第六章为结论。列举了课题进展中的经验、成果、困难与不足，对课题结束后要继续努力的方向进行了说明。
2 有限元理论及CAE软件ABAQUS简介
2. 1 有限元方法的理论概要
2.1.1 有限元方法的基本思想
“化整为零，积零为整”，是对有限元方法形象而不失准确的概括，也是该方法的基本思想。
方法具体解释为：
（1）离散目标物体的连续求解区域为有限个通过节点相连的单元，通过求解节点的边界条件，可以最终求解出目标物体的边界条件。此步骤为离散过程。
（2）先求出各小片区域的近似函数，组合这些函数即得单元整体求解域的函数。具体表述为：求解函数的插值点取决于单元中一些合适的节点，插值函数与变量或变量的倒数的节点值组成的线性表达式取代原微分方程的变量，这些单元的函数的组合即为整个求解域的解函数。
（3）根据目标物体的边界条件及其基本方程，用变量原理或者加权残执法列出有限元方程。解方程可得近似解。
求解过程可以发现，在分析的精度和分析的时间上找到一个最佳结合点最为关键。
2.1.2 有限元方法的理论与实际应用的方法
理论方法有位移法、应力法、应力与位移混合法三种。最重要的是：应力与位移混合法的目标量是一部分应力和另一部分微小位移，该法依据修正的能量原理。但是工程中则需要用数值方法求解。
2.1.3 有限元理论方法的分析步骤
有限元分析一般分为三步：预处理、求解和后处理。
1 引言
1．1 国内机床发展现状综述
1.1.1 国家政策与规划
在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》中，从国家战略的高度规划了高端数控机床的发展，针对目前国产机床占有率偏低的问题，国家将采取多种措施予以解决。
围绕机床行业“十二五”发展目标，确立了三项重点任务，其中一项任务围绕中高档机床工具产品，强调要大力提高竞争力及产业化水平。
1.1.2 机床行业的发展空间
机床行业产值小于GDP的百分之一，却是经济发展的重要支柱产业。工业化发展时至今日，装备制造业产业升级已是大势所趋额。横向比较德国和日本，中国机床行业销售额占工业增加值的比重相对比较低，只有0.8﹪左右，伴随着工业化的发展，比例预计会有一定的增大。机床行业的规模很难满足制造业的发展需求，显示了机床行业发张空间很大。
1.1.3 国内机床发展前景
作为装备制造业的基础设备与工作母机，当前要使装备制造业振兴，第一步要振兴机床工业。机床行业作为被列入为战略性新型行业中的一个，其发展前景极好。由于产业升级，高档数控机床需求攀升，而中低档的则下降。
1. 2 数控加工中心机床简介
数控加工中心机床是一种带自动换刀装置的数控机床，是一般数控机床加装了一个刀库和自动换刀装置后的机床，它和一般的数控机床相比具有如表1.1所示的优点。
表1.1数控加工中心机床与普通数控机床加工过程比较表
加工需要的机床数量 装夹次数 定位误差 加工时间 生产率 专用装夹数量
普通数控机床 多台 多次 大 长 低 多
数控加工中心机床 一台 一次 小 短 高 少
1. 3 加工中心部件研究现状
天津大学的张兴朝等人在龙门式立柱的结构设计方面首创了元结构的概念，机床主要部件元结构的动态特性可以用有限元方法方便获得，动态特性较好的元结构被选出，作为立柱的整体结构设计的备用元结构。该结构设计表明，基于元结构的动态设计，不仅避免结构拓扑优化的复杂繁琐过程，而且能得到比较好的设计结果，是一种行之有效的设计方法。
上海交大的朱军，利用ansys对高速立式铣床XH786A整体的有限元参数模型进行动静态分析，以振型为依据，找出影响机床加工精度的薄弱部分的位置。把整天作为约束，把结构柔顺度设为目标函数对此薄弱部分进行了拓扑优化，优化结果较好。
吉林大学的陆凯，对研究对象机床整体进行精确建模，而后对此模型进行静力分析，模态分析以及谐响应分析，这样对象机床的整体动态特性和静态特性即可确定。依据上述结果设计横梁的驱动机构以及控制调节机构，研究驱动布局出于不同位置时，机床各主要部件受其影响情况，根据研究结果，优化原驱动布局，产生新的驱动布局。
厦门大学的洪昊，研究某型平面磨床，发现其加工精度不足，因此拟提高其结构动刚度。具体做法为：首先对机床关键部件进行动力学分析，同理再先后分析机床结合面与整体，依据以上分析结果对相应的结构进行了改进。该课题的动态性能研究主要利用了有限元方法与动态测试相结合的方法，对薄弱结构的改进分析利用方案比较法。
1. 4 关于本课题的相关研究内容介绍
1.4.1 课题来源及所研究的对象
本文所研究的机床的是天津第二机床厂生产的型号为：MKM5115X120/F-00001悬臂导轨数控加工中心机床。
该加工中心如图1所示主要由立柱、横梁、床鞍、滑板、床身五部分组成。床身通过地脚螺钉固定在地面上，床身上有长导轨，立柱在该长导轨上游走，即可在Z方向上往复运动。横梁通过螺栓连结固定在立柱上。床鞍的沟槽处有导轨，滑板在该导轨上运动，即可实现y方向上往复运动。通过以上x、y、z三个方向上往复运动，连接在滑板上的工作部分可以到达制定加工位置，可加工区域范围大。
横梁固定在立柱上，两端悬空，一端很短，一端很长。根据其尺寸，横梁可简化为一悬臂梁。横梁承受压力、弯矩、扭矩、其刚度与强度对加工精度和零件表面质量有重要影响。
1 床身 2 立柱 3 横梁 4 床鞍 5 滑板
图1.1 MKM5115X120/F-00001 悬臂导轨数控加工中心机床模型图
1.4.2 研究内容及文章结构
前几年该机床需求旺盛，设计及生产周期较短，当时设计为单立柱式机构是为了节约成本。但随着用户对加工精度要求的提高，单立柱悬臂梁的结构精度已不能满足用户的需求。针对上述情况，通过对该加工中心进行有限元分析，找出影响其加工精度的因素，结合因素的具体情况，给出解决方法，最终达到提高加工中心横梁刚度和适当减小横梁质量的要求。本文主要内容如下：
（1）第一章为绪论部分，综述了国内机床现状与发展，简述了数控机床及普通机床的区别与优势，阐述了数控加工中心部件研究现状，说明了课题来源及研究对象。
（2）第二章为有限元理论及其分析软件ABAQUS简介。介绍了有限元方法的基本思想、理论方法与实际应用的方法，以及有限元理论方法的分析步骤，列举了ABAQUS的优势表现、产品模块及相互关系、分析步骤。
（3）第三章为加工中心的横梁部件模型等等建立。概述了solidworks实体建模的过程，说明了横梁几何模型的简化方法，给出了选择单元类型的依据。
（4）第四章为加工中心的横梁模型的有限元分析，叙述了横梁如何选择材料，设定约束以及施加外部载荷，概述了第一强度理论。对横梁进行了强度、刚度、模态分析。
（5）第五章为横梁结构的优化设计，介绍了横梁边界约束条件的调整以及调整后对比调整前的变化情况。
（6）第六章为结论。列举了课题进展中的经验、成果、困难与不足，对课题结束后要继续努力的方向进行了说明。
2 有限元理论及CAE软件ABAQUS简介
2. 1 有限元方法的理论概要
2.1.1 有限元方法的基本思想
“化整为零，积零为整”，是对有限元方法形象而不失准确的概括，也是该方法的基本思想。
方法具体解释为：
（1）离散目标物体的连续求解区域为有限个通过节点相连的单元，通过求解节点的边界条件，可以最终求解出目标物体的边界条件。此步骤为离散过程。
（2）先求出各小片区域的近似函数，组合这些函数即得单元整体求解域的函数。具体表述为：求解函数的插值点取决于单元中一些合适的节点，插值函数与变量或变量的倒数的节点值组成的线性表达式取代原微分方程的变量，这些单元的函数的组合即为整个求解域的解函数。
（3）根据目标物体的边界条件及其基本方程，用变量原理或者加权残执法列出有限元方程。解方程可得近似解。
求解过程可以发现，在分析的精度和分析的时间上找到一个最佳结合点最为关键。
2.1.2 有限元方法的理论与实际应用的方法
理论方法有位移法、应力法、应力与位移混合法三种。最重要的是：应力与位移混合法的目标量是一部分应力和另一部分微小位移，该法依据修正的能量原理。但是工程中则需要用数值方法求解。
2.1.3 有限元理论方法的分析步骤
有限元分析一般分为三步：预处理、求解和后处理。
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