搜索基于 HyperWorks 的拉床主溜板優(yōu)化設(shè)計
2017-02-27 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
1 概述
拉床是一種采用拉刀加工各種內(nèi)外成型表面的機床,生產(chǎn)效率高,加工質(zhì)量好,廣泛應(yīng)用于汽 車、摩托車、農(nóng)機、航空及工程機械等行業(yè)。近年來,由于機床工業(yè)對發(fā)展制造業(yè)和提升實體經(jīng)濟 具有戰(zhàn)略意義,各國政府和相關(guān)學者高度重視對拉床和拉削技術(shù)的研究。如,近年來,英國諾丁漢 大學 D.A. Axinte 等對拉削過程在線檢測、控制系統(tǒng)和拉削工藝[1, 2]進行了系統(tǒng)研究。我國專家也對 拉削振動的產(chǎn)生機理和抑制方法展開了研究[3, 4]。這些工作對于提高拉削精度和自動化水平具有一定 作用。
拉床加工過程的主運動是主溜板的直線運動,進給運動則靠拉刀本身的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。主溜板在 拉床加工工件時,要承受切削力、機床部件和工作重力、內(nèi)部傳動機構(gòu)的作用力,它們產(chǎn)生的變形 對工件的加工精度和表面質(zhì)量有很大的影響。哈爾濱工業(yè)大學的王家春等分析了氣浮溜板的振動情 況,建立了以空氣做動器為執(zhí)行元件的溜板二自由度振動主動控制系統(tǒng)的數(shù)學模型[5]。武漢理工大 學賀大興等人結(jié)合超精密機床的發(fā)展規(guī)律,運用優(yōu)化設(shè)計的方法,設(shè)計了無遲滯、自耦合的溜板結(jié) 構(gòu)避免了導(dǎo)軌誤差產(chǎn)生的流通激振[6]。目前,對拉床主溜板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究還鮮見報道。
國內(nèi)外很多學者和專家把有限元的方法運用到機床設(shè)計中,并取得了顯著成果,從而使機床的 加工精度、加工效率和壽命得到了提高,并降低了生產(chǎn)成本[7, 8]。本文所展示的研究成果,就是采用 有限元方法和 Altair 公司的 HyperWorks 系列軟件為分析平臺,對 LG5710 拉床主溜板進行優(yōu)化設(shè) 計。首先建立主溜板有限元模型,進而進行主溜板靜力學分析,以驗證進一步優(yōu)化的可能;接著進 行模態(tài)分析,預(yù)測主溜板的動態(tài)特性和薄弱環(huán)節(jié);然后提出主溜板結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,基于 OptiStruct 平臺進行拓撲優(yōu)化。最后獲得 LG5710 主溜板優(yōu)化設(shè)計幾何模型與量化的性能對比分析結(jié)果。
2 有限元建模
有限元建模是進行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ),主要包括網(wǎng)格劃分、邊界條件和載荷設(shè)定。 單元質(zhì)量的好壞往往直接影響有限元求解結(jié)果的精確性。細密的網(wǎng)格可以使結(jié)果更精確,但是也會 增加 CPU 計算時間,并且需要更大的存儲空間。建立主溜板單元屬性:各向同性,四面體網(wǎng)格,網(wǎng) 格單元大小為 10mm,采取自動網(wǎng)格劃分。主溜板網(wǎng)格節(jié)點數(shù):49254,單元數(shù)目:212648。材料 為 45 號鋼。如圖 1 所示。
圖 1 有限元網(wǎng)格 圖 2 載荷和邊界條件 在對拉床主溜板施加載荷約束時,盡可能地接近實際:(1)拉床主溜板承受的外力載荷為油缸
對主溜板的推力和加工工件對主溜板上工作臺的壓力,按照實際情況選擇載荷類型為 Force(集中 力);(2)主溜板與導(dǎo)軌接觸處要限制所有自由度,施加全約束,選擇約束類型為 SPC(固定約束)。
將工作臺中心孔內(nèi)所受集中力等效成工作臺孔表面的均布壓力,這個均布壓力可以由力和力矩 平衡求得,在施加這個均布壓力載荷時可以直接施加在工作臺的表面上,并指向面內(nèi)。同理,油缸 與主溜板的接觸力也可以用此方法,等效成表面的均布壓力。油缸對主溜板的推力為 200KN,主溜 板的重量為 4.85t,由于主溜板為勻速運動,所以,工件對工作臺的擠壓力為 151.5KN。如圖 2 所示。
3 靜力學分析
該拉床在工作時,由于拉刀和工件接觸會產(chǎn)生很大的拉削力,主溜板整體會產(chǎn)生應(yīng)力和變形。 如果發(fā)生的變形大于允許的誤差要求,那么生產(chǎn)出來的廢品將會大大增加,影響生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效 益。如果受到的應(yīng)力大于主溜板所用材料的屈服極限,主溜板將發(fā)生很大變形,甚至發(fā)生破壞造成 危險。通過對主溜板進行靜力分析,可以得到主溜板的應(yīng)力和應(yīng)變,驗證主溜板的剛度和強度是否 滿足工作性能要求,為主溜板的正常工作提供保障。
采用 OptiStruct 求解器計算上述有限元模型,如圖 3 所示為主溜板整體位移分布云圖。總的來 說,從中間沿 x 正負方向逐漸增加。主溜板的大部分變形在 0~0.248mm 之間,最大整體變形為0.279mm,位于工作臺的邊上。這是由于拉床工作時,工作臺上孔附近產(chǎn)生較大的形變,傳遞到遠 離孔的工作臺邊上。主溜板在 x、y、z 方向的方向變形和整體變形均小于 0.05mm,這說明主溜板能保證在最大承載條件加工產(chǎn)品的精度,滿足剛度要求。
圖 3 主溜板位移云圖
從圖 4 可以看出,主溜板受到的應(yīng)力集中在工作臺和溜板主體相連處和油缸接口與主溜板主體 相連處,其應(yīng)力最大值為 176.2MP。位置在與主溜板主體相接處。主溜板選取 45 號鋼,其屈服強 度為 355MP,主溜板大部分區(qū)域安全系數(shù)為 N = σ s / σ max = 355 / 176.2 = 2.015 。主溜板應(yīng)力分布不 均勻,主體和工作臺還有很大的應(yīng)力余量。從以上分析可以得出,主溜板設(shè)計的安全系數(shù)較大,遠 遠超過靜強度要求。由圖 4 可以得出,主溜板低應(yīng)力區(qū)域過多,高應(yīng)力區(qū)域占的比例太小,應(yīng)力分 布不均勻。從應(yīng)力分析的角度,材料抵抗破壞的能力還有很大余量,所設(shè)計的主溜板安全系數(shù)達到2 以上,設(shè)計過于保守。應(yīng)力值低于材料的強度極限,應(yīng)力集中不會影響主溜板的剛度,主溜板有 進一步優(yōu)化的可能。
圖 4 主溜板應(yīng)力云圖
4 模態(tài)分析
圖 5 主溜板前 6 階模態(tài)參數(shù)與振型
在 HyperMesh 中做結(jié)構(gòu)模態(tài)分析,邊界條件的施加要盡量和主溜板實際工況接近。如圖 5 所示 為主溜板前 6 階模態(tài)參數(shù)與振型,可見主溜板的振型多表現(xiàn)為局部的彎曲扭轉(zhuǎn)組合變形,響應(yīng)較大的 部位位于工作臺與工件接觸處和與油缸接觸處。工作臺與主溜板相連處受到的集中應(yīng)力較大、局部剛 度較低,為了提高主溜板的性能,有必要在此部位進行結(jié)構(gòu)改造,增強主溜板的力學性能。
5 主溜板拓撲優(yōu)化
前面內(nèi)容分別對拉床主溜板進行靜力學分析和模態(tài)分析。通過靜態(tài)分析,我們得知主溜板是滿足 強度和剛度要求的,但是設(shè)計較保守。通過模態(tài)分析,我們知道主溜板基本上滿足動力學性能要求, 但是主溜板在一些部位具有相對較大的響應(yīng)位移和響應(yīng)應(yīng)力,這些部位是主溜板可能的薄弱環(huán)節(jié)。在 不改變主溜板大的結(jié)構(gòu)的前提下,提出主溜板進行結(jié)構(gòu)改造方案:一是在工作臺和溜板主體連接部位 設(shè)置加強筋;二是利用拓撲優(yōu)化減少富余材料。
前面已經(jīng)定義初始的包括實體單元、單元屬性、材料屬性、載荷和邊界條件的有限元模型?，F(xiàn)在 需要對模型進行拓撲優(yōu)化,以單元密度為設(shè)計變量,優(yōu)化的目標是減少使用的材料。但是,減少材料 后可能會導(dǎo)致剛度的降低以及變形加劇,因此,在優(yōu)化過程中需要確定位移的約束,這樣可以在使用 的材料和模型的總體剛度上達到一定的平衡。在拉削中工作臺的變形直接影響工件加工質(zhì)量,需要對 孔中心處節(jié)點的位移進行約束,使其在 Z 軸方向上的位移不超過 0.05mm。
圖 6 所示為可設(shè)計材料最優(yōu)化布局的等值面圖,保留 0.3 密度值以上的材料。由于沒有制定設(shè)計 區(qū)域,上圖保留的材料實際上破壞了主溜板與工作臺導(dǎo)軌連接的部分,因此我們在拓撲優(yōu)化基礎(chǔ)上, 在幾何模型中做出補償。如圖 7 所示,大體按照拓撲優(yōu)化和增加加強筋的方案實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。表 1 給 出了優(yōu)化前后的部分性能對比?？梢娫诠こ逃昧戏矫?優(yōu)化前主溜板重量約為 4.850t,優(yōu)化后主溜板
重量約為 4.498t,節(jié)省了 0.352t,從而減輕了重量,同時節(jié)約了成本。在動態(tài)特性方面,第一階自然
頻率顯著提高,大幅度改善了結(jié)構(gòu)剛度。
6 結(jié)論
本文使用 HyperWorks 軟件完成對拉床主溜板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。采用 HyperMesh 對主溜板進行 網(wǎng)格劃分,采用 OptiStruct 進行靜力學分析、模態(tài)分析和拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化后拉床主溜板在結(jié)構(gòu)上 發(fā)生較大改變,減少了工程材料,降低制造成本,同時動態(tài)性能也得到了顯著提高。
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