基于Solidworks的机床横梁有限元模态分析

('基于Solidworks的机床横梁有限元模态分析摘要：本文主要介绍如何使用solidworks设计机床零部件，并进行有限元分析。关键词：solidworks机床设计有限元分析笔者公司近期研发的一款机床，采用工作台固定不动，x/y轴使用十字滑台的结构。在加工过程中，刀具在xyz三个方向运动，从而可以实现三轴高速运动，同时工作台可以承载大的负荷。为了保证机床具有良好的动、静态性能，并尽可能减轻其重量，就要进行精密的理论计算。这里将利用solidworks软件对机床支承件中的横梁进行有限元分析，计算出该零件的固有频率和振型。一、当前常用的有限元分析软件及其特点目前对机械零件进行有限元分析一般采用通用有限元分析软件，如ansys、marc等。它们拥有丰富完善的单元库、材料模型库和求解器，可以独立完成多学科、多领域的工程分析问题。其缺点是几何建模功能不强，无法完成复杂模型的建模，需要通过标准数据接口将建好的模型导入，然后进行计算。但是在模型转换过程中常常会出现一些问题，特别是复杂模型导入后会出现一些面和线的丢失、无法对模型中的一些特征进行网格划分等问题。所以在模型转换后，要花费大量的时间和精力在有限元软件中进行几何模型修补工作，这必然导致模型的不一致且增加了额外的工作量。solidworks是世界上第一个基于windows开发的三维cad系统，并且集成了cae模块，可以直接对其生成的几何模型进行有限元分析。由于solidworks具有强大的参数化功能，那么在有限元分析中就可以利用该优点进行模型的优化设计。二、机床横梁有限元模型的建立和计算1.建立几何模型（如图1）图12.定义材料属性机床横梁是机床支承件中的重要部件，其在工作时承受十字滑鞍、滑枕和主轴头的巨大压力，必须具有较高的强度，所以材料选为灰铸铁ht300。根据相关资料，ht300的质量密度为7300；弹性模量为1.43e11；泊松比为0.27。在模型树中右键单击模型名称，在弹出的菜单中点击【材料】→【编辑材料】命令选项，并在其中定义上述材料属性。3.定义约束和载荷进入simulation模块，建立新算例。右键单击夹具，因横梁是固定在底座上，所以设定横梁底面为固定面。装配线轨，线轨和装配面之间定义为刚性连接，在线轨的滑块面上施加载荷，负载25000n，并叠加重力载荷。4.划分网格右键单击【网格】→【生成网格】，进行网格的定义和划分，参数均采用默认。横梁的有限元网格模型如图2所示。图2横梁有限元网格模型5.进行有限元计算右键单击【算例1】→【运行】，进行分析计算，结果如图3所示。图形显示，应力在安全范围内。图3最大变形量除去滑块面后就是横梁的中间，变形小于0.007mm，符合设计要求。三、机床横梁有限元模态分析结果对机床横梁有限元模型的求解，一般不需要求出振动系统的全部固有频率和振型，由于低阶模态对振动系统的影响较大，因此本文仅计算了前4阶模态。固有频率如表1所示。从计算结果可以看出，固有频率在230hz以上，该机床采用bt30刀具，正常工作频率较低，可知横梁的刚性基本满足要求，但还可以进一步提高。第一，本文通过对机床横梁的有限元分析，算出了该机床零件的前四阶固有频率和振型。通过振型和动画显示可以很直观地分析机床横梁的动态性能，并且找到零件的薄弱环节，为机床支承件的结构设计提供理论依据。第二，本文提出了采用solidworks软件对横梁进行模态分析的想法，并通过它实现了实体建模和有限元分析计算的无缝集成，提高了有限元分析工作的效率。（作者单位：安徽省鸿庆精机有限公司）',)