重型龙门镗铣床横梁有限元分析与结构优化

摘要：利用有限元软件ANSYS对重型龙门镗铣床横梁部件进行有限元建模及静特性分析，并根据分析结果对横梁进行结构优化设计，通过ANSYS有限元分析软件对横梁结构分析，明确了这类部件在受到部件重力载荷和切削力作用下的结构位移，通过对横梁自身刚度和横梁变形折算至刀尖位移的分析，为横梁结构的设计提供了科学计算的依据，并根据横梁结构要求达到的精确度指标为设计思想，对重型龙门镗铣床的横梁结构提出了优化方案，其结果可以为结构的进一步改进提供重要依据。

关键词：龙门镗铣床；横梁；有限元法；ANSYS；结构优化

中图分类号：TG502 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2013）02-0072-05

0、引言

重型龙门镗铣床是航天航空、船舶、汽车、铁路、工程机械和机床等行业必不可少的加工装备，高速、高精确度加工是机床加工的研究热点，这给重型龙门镗铣床的设计提出了更高要求，横梁作为机床的重要承载部件，其静态特性对加工精度和精度稳定性影响较大。为了增加横梁刚度、减轻横梁自重以及减小刀尖处的位移，作者通过建立横梁结构的有限元模型，并根据横梁的实际受载情况对其进行静特性分析，根据分析结果对横梁及横梁筋板的布局进行优化设计，有效提高横梁承载刚度、自重和刀尖处的位移，增强机床的工作性能。

陈永庆等利用ANSYS软件对2400t门式起重机进行结构有限元分析，得到了关键构件在多种工况下的应力及变形，对关键构件的强度和刚度是否满足工程要求作出了起重机主体结构和其余关键构件除局部有应力集中以外均可满足强度和刚度要求的结论，并根据计算结果提出了在横梁腹板和主吊耳板的人孔边缘加封环以减小孔边应力集中，取消横梁腹板左右最外侧孔以避免应力集中，为解决主吊耳板应力集中现象，加大主吊耳板下部吊耳宽度和厚度的改进方法和建议，其中单元选择建立有限元模型时用了壳单元、梁单元、杆单元，采用壳单元离散横梁各腹板，翼缘板，隔板，加强肋以及柱上节平台等结构，采用梁单元离散柱主肢等结构，采用杆单元离散柱缀条以及缆风绳等结构，为与真实钢丝绳的约束效果相同，张德文等提出，采用有限元法对桥式类型起重机的主梁预拱度进行准确计算，取代常用的经验计算法，给出了各种桥式类型起重机主梁挠度的计算方法，并推导了主梁制造前腹板下料拱度曲线的计算公式，其中建议注意对起重机的预拱计算，在设计起重机时保证主梁的挠度，以保证小车的正常运行，并对起重机的使用和报废判别基准提出修改完善建议，程丽珠用有限元分析软件ANSYS进行结构分析，然后采用其中的优化程序对主梁进行优化设计，提出了对桥式起重机主梁结构分析与优化设计的研究方法等，文[4]进行了由梁单元组成的结构件的能量流动的分析和优化，文[5]对由起重机横梁支撑的地下发电场拱型棚进行了分析，分析认为拱型的支撑墙的变形以及应力情况影响到整体结构的分析结果，分析时要加入支撑墙的影响。

大跨度横梁结构复杂，它的一系列参数很难通过实验获得，因此本文结合重型龙门镗铣床横梁，针对其结构特性进行了有限元分析，并对其进行了结构优化，对大跨度机床横梁的设计分析有一定的参考价值。

1、重型龙门移动镗铣床组成结构

重型数控龙门移动镗铣床的主机结构一般包括床身、滑枕、立柱、工作台等机械部分，具有镗、铣、钻、攻丝、车削等功能的一机多能镗铣床，该机床为工作台固定，龙门框架移动式数控镗铣床，其总体布局形式是龙门框架在滑座上移动由双交流伺服电机驱动，龙门框架（X轴）整体移动，并在龙门框架的横梁上配置一大功率多功能滑枕式镗铣头，滑枕镗铣头溜板（y轴）及滑枕（z轴）移动为交流伺服电机驱动，横梁（W轴）移动由双交流伺服电机驱动，x，y，W轴导轨采用静压导轨，z轴采用滚一滑复合导轨，各轴全闭环控制，由德国HEI-DENHAIN光栅尺位置检测，4个进给轴，可实现任意三轴联动。

2、机床横梁的有限元静力学分析

2.1 机床横梁模型建立

ANSYS的前处理模块提供了比较强的建模功能，包括点、线、面、体等几何体素的常用作图，完整的布尔运算等功能键，在建模过程中，需要对模型进行必要的简化，使模型易于建立和划分，对本机床横梁的分析采用梁单元模拟，建立横梁有限元模型，其结构如图2所示。

2.2 机床横梁结构有限元计算

机床横梁结构的有限元计算需要三个方面，一是自身刚度计算，二是承受最大切削力时的计算状态，计算状态下横梁变形折算至刀尖处的位移，三是不计切削力即在各部件重力作用下，横梁变形折算至刀尖处的位移。

在上述的计算方案中，自身刚度计算主要用于比较不同结构的各个方向刚度性能。计算切削力状态主要用来模拟和考核机床在粗加工最大切削力时的机床加工精确度性能，不计切削力计算主要用于模拟精加工和机床精确度检查时的情况，本文中利用前处理器直接建立了横梁的计算模型，利用AN-SYS中的APDL语言实现了横梁的参数化建模、网格的自动划分、载荷的位置判定以及施加，对横梁进行了结构静力学分析。

2.2.1 自身刚度

由于受结构尺寸的限制，横梁一般为细长形的长方体，使得横梁变形较大；而且，横梁在移动过程中主轴切削刀具悬臂长度变化很大，故在加工过程中影响零件精确度，因此，横梁自身结构一般是主机系统最薄弱的环节，横梁自身刚度计算条件为：横粱在中间截面上，沿着y方向，z方向加力，绕x轴加扭矩。横粱与立柱导轨接触面按刚性支承处理，图3为横梁自身刚度受载荷示意图。P=50kN

利用有限元分析软件ANSYS计算横梁在图示载荷约束下的自身刚度，结果如图4和图5所示，由于受篇幅所限，其余结果均以表格形式给出。

2.2.2 最大切削力作用

承受最大切削力时的计算状态如图6所示，图中py、px、pz为3个切削分量；H_mnx为最大加工工件高度；L_mnx为滑枕最大行程。

承受最大切削力时的计算状态：

1）滑枕伸长量为最大行程的三分之一；

2）工件加工高度取最大加工高度的0.4倍；

3）刀尖处切削力的分配比例为

Py：Px：Pz=1：0.5：0.3=50kN：25kN：15kN：

4）刀尖对准工作台中心。

在上述条件下，将刀尖处承受的最大切削力，折算到导轨面上，进行计算。其受力状态如图6所示，横梁被划分为17200个节点，自身变形折算至刀尖处的位移，其计算结果列于表2中。

2.2.3 受重力作用

不计切削力即在各部件重力作用下，横梁变形折算至刀尖处的位移。还将计算刀架在横梁中间和横梁一端不同位置的刀尖位移和横梁导轨的变形量，计算结果见表3。

2.3 有限元计算结果分析

上面分析了横梁的三种有限元计算方案，通过对横梁有限元力学模型的线性静态求解，得到了进给机构的横梁在各情况下的强度和刚度分布情况，通过对横梁自身刚度计算，承受最大切削力时和不计切削力即在各部件重力作用下横梁变形折算至刀尖处的位移的计算，取得了由横梁结构对刀尖位移的定量影响，从上述有限元分析结果中可以看出，横梁的自身刚度有待于进一步提高，横梁本身弯曲变形和扭转变形都比较大，应对其进行尺寸和结构的优化设计。

3、机床横梁结构优化设计

3.1 横梁尺寸和结构优化

根据上一节静态分析结果，横梁的设计存在着很大的刚度裕量，结构的承载能力也没有得到充分的利用，这为横梁的结构优化提供了很大的空间，从上一节有限元结果分析表中可以看出横粱的静变形大，沿y轴负方向有0.0164mm，由此可见横梁的静刚度是远远不能满足精密机床的静刚度变形精确度要求的，因此，必须对横粱进行重新设计。

经分析横梁结构的最大弯曲变形量0.1225mm，考虑到实际加工中的加工成本和机床的整体结构布局，最后确定了横梁部件的改进方案：从横梁外部人手，增加抗弯梁和扭转板，在横梁1上方加一抗弯梁2抵抗弯曲变形，加扭转板3及下扭转板4以增加横梁的扭转刚性，修改后模型如图7和图8所示。

图7（a）为k₁，方案：横梁共划分17490个结点，横梁重13.2t。

图7（b）为k₂方案：横梁共划分17419个结点，横梁重18.5t。

图7（c）为后，方案：在k₂基础上增加抗弯梁、扭转板；横梁重量19.9t。

按照以上结构调整修改相关文件，导人ANSYS中进行求解，求解结果与原来模型数据比较如下表。

1）自身刚度。在相同的受力状态和计算条件下，比较由于结构的改变而产生的不同效果；即不同结构方案在各自受力方向上的刚度优劣，横梁自身有限元计算结果对比如表4所示。

2）最大切削力作用，在计算状态（受最大切削力）条件下，计算横梁变形折算至刀尖处的位移。其有限元计算结果列于表5中。

3）受重力作用，不计切削力即在各部件重力作用下，横梁变形折算至刀尖处的位移，计算刀架在横梁中间和在横梁一端不同位置的刀尖位移和横梁导轨的变形量，计算结果见表6。

3.2 横梁优化结果分析

经过上述对横梁结构和尺寸的改造及计算得出以下结论：

1）k₂，k₃横梁自身刚度均比k₁高，计算结果见表4，这是由于k₂，k₃横梁截面尺寸比k₁大，截面增大了30.1%（图8），k₃比k₂增加抗弯梁、扭转板，其y向刚度增加了11.5%，=向刚度增加了5.6%，扭转刚度增加75.9%，而重量增加1.5t。

2）横梁在计算状态下（承受最大切削力），k₁和k₂按加高型受力条件计算k₃为k₂采用100%卸荷形式并按k₂型受力条件计算，所以k₃的刚度比k₁和k₂的高如表5。

3）从表6可以看出，刀架在横梁中间和在横梁一端对Y、Z向刀尖位移影响不大，只对x向刀尖位移影响较大，k₂，k₃横梁均比k₁引起的刀尖位移要小，k₃的刀尖位移最小。

4、结语

1）对原横梁结构分析表明：横梁的静态特性没有达到设计要求。通过对横梁筋板进行多载荷步条件下的拓扑优化，并根据优化所得筋板分布结果对横梁内部筋板进行重新布局。

2）k₃横梁自身刚度均比k₁，k₂高，这是由于k₃横梁截面尺寸比k₁，k₂大，截面增大k₃。比k₂增加抗弯梁、扭转板，其y向刚度增加了11.5%，z向刚度增加了5.6%，扭转刚度增加75.9%，k₃的刀尖位移最小，而重量仅增加1.5t。

3）由结果分析可知，经过优化后的横梁结构静特性都有明显改善，通过有限元软件对横梁整体结构进行分析，并利用其中的优化功能，确定横梁的筋板及形状的合理结构，得到了横梁在各情况下的刚度分布情况，为镗铣床横梁的结构设计提供依据。