基于实验分析的机床结构有限元建模及其应用研究

针对一台数控弧齿锥齿轮铣齿机,进行机床整机的有限元动态和静态分析,测量机床静刚度,进行模态实验测试及分析.结合有限元模态分析结果,依据重要的实验模态和机床静刚度修正导轨结合部有限元模型参数.对机床整机结构进行改进,通过有限元分析计算,改进后整机结构动、静刚度明显提高.为确定机床导轨结合部模型参数提供一种研究思路与方法.     

固定结合面不同位置刚度参数对机床动态特性的影响

框中框式结构机床中以固定结合面联接的床身、立柱为研究对象,通过拉格朗日方程的方法建立床身、立柱的动力学理论模型,不同位置采用不同的结合面刚度参数来研究结合面法向刚度和切向刚度对系统各阶模态频率的影响;然后基于多学科优化设计软件iSIGHT,搭建整机动态特性分析优化系统框架来验证计算结果的正确性。结果表明,结合面切向刚度相比较于法向刚度对系统模态频率的影响较小;刚度参数增加,系统各阶模态频率趋于稳定;不同位置结合面刚度值大小影响不同阶次的模态频率值。     

剐齿机床立柱动力学模型修正技术研究

针对机床立柱与床身接触刚度复杂,在有限元建模时边界条件难以确定,会导致机床立柱有限元模态分析结果与模态试验结果存在偏差的问题,通过响应面法与粒子群优化算法组合的方法修正机床立柱的动力学模型。以SKGC-500剐齿机床立柱为研究对象,将立柱与床身之间的导轨连接处理成弹簧阻尼单元,设计变量选择法向刚度和切向刚度。用正交试验设计方法选择有限元分析样本点并拟合二阶多项式响应面模型,建立以固有频率最小二乘法为目标函数,以接触刚度为约束条件的优化模型,用粒子群优化算法对固有频率最小二乘进行优化。结果表明,修正后的立柱动力学模型与实际固有频率有更好的一致性。     

机床螺栓固定结合面动态参数识别与实验验证

针对各向同性虚拟材料模型不能准确表征螺栓固定结合面法向和切向的性能差异的问题,以机床立柱-床身螺栓固定结合面为研究对象,采用横观各向同性虚拟材料对机床螺栓固定结合面进行动力学建模,通过试验设计和有限元分析构建机床螺栓固定结合面的径向基函数神经网络模型。结合模态试验结果构建寻优目标函数,并利用粒子群优化算法进行求解,识别出横观各向同性虚拟材料弹性常数。结果表明:实验模型的理论模态与实验模态前六阶振型基本一致,固有频率的误差小于5.1%,说明了该方法的有效性,为机床螺栓固定结合面参数识别提供了一种新方法。     

高速磨床整机动态特性研究

建立了某高速凸轮轴磨床整机的三维有限元模型,利用反求方法确定了结合部的基础参数,对整机进行了模态分析,初步确定了整机动态性能的薄弱环节,研究了结合部刚度参数对整机低阶模态的影响,提出了结构改进方案。建立径向基函数近似模型表征床身—工作台系统结合部刚度与其固有频率之间的隐式函数关系,通过对该系统进行模态实验测试,并与优化方法相结合,确定了该高速磨床床身工作台系统的结合部刚度参数。结果表明,该方法对整机建模和动力学性能的分析简单有效,增加垫板在床身上的约束可以有效地改善该高速磨床的动态特性。     

车铣复合机床立柱结构的多目标优化

以车铣复合机床为研究对象,利用Solidworks建立三维模型,基于吉村允孝法计算出主要结合面参数,利用AN-SYS Workbench建立整机的动力学模型,通过模态分析和谐响应分析确定立柱为影响整机动态性能的关键部件.以立柱的一阶固有频率、质量和静变形量为目标函数,以立柱两侧各筋板厚度为设计变量,利用响应面法对立柱进...     

机床床身结构螺栓连接参数修正

以机床床身为研究对象,采用ANSYS有限元分析软件对地脚螺栓固定下三维模型开展模态分析,同时针对已完成产品的试制床身开展模态试验。通过对比试验模态和仿真模态的偏差,并以仿真-试验模态固有频率及模态振型偏差量为目标,将地脚螺栓等效弹簧刚度作为修正参数,开展动力学模型修正。结果表明,床身-弹簧约束模型反映出弹簧刚度影响着床身的动态特性,修正后的仿真模型能够较好预测床身与地脚螺栓连接的动态性能,为高性能机床的数字化设计与制造提供理论依据。     

YKH200数控弧齿锥齿轮铣齿机设计与分析

针对传统机械型铣齿机结构复杂、传动链长、精度差、速度低,无法满足高速、高精度齿轮加工要求的状况,设计了YKH200数控弧齿锥齿轮铣齿机及迈雷特H218i型数控系统,分析该机关键部件结构,采用有限元方法对数控弧齿锥齿轮铣齿机进行静/动态特性仿真分析,并对关键件立柱进行了拓扑结构优化.结果表明:优化后立柱的静刚度与前2阶固有频率比优化前均有所提高,质量减少7.32％.实践证明,该铣齿机采用常规速度切削加工齿轮时,性能稳定,工作可靠.但高速切削加工齿轮时,某些高速切削的工况仍有可能发生共振情况,需进一步提高整机刚度或采用其他方法进行抑振.为进一步提高整机刚度,实现机床在更高切削速度加工齿轮提供参考依据.     

基于面压不均匀分布的结合部动力学建模研究

提出了一种基于结合面压力不均匀分布的螺纹固定结合部动力学建模方法。首先,利用Ansys对施加预紧力的装配体整机进行静力学分析,提取结合面处的节点、单元信息及压力分布,基于节点间距离最短的原则对上、下结合面中的节点进行匹配,在匹配好的两节点间建立Matrix27刚度和阻尼单元,以此来描述结合部的动力学特性;其次,基于结合面压力分布及Yoshimura法,求解Matrix27单元中的刚度系数和阻尼系数;最后,将结合部与零部件有限元模型综合成整机有限元模型。对比前四阶理论模态与试验模态可知:理论模态振型与试验模态振型相似且一一对应,理论固有频率与试验固有频率间的误差在0.7%～7.2%范围内,从而验证了该建模方法的有效性。     

考虑机床结合面的立式加工中心动态特性分析

以某企业的T-V855立式加工中心为研究对象,用虚拟介质法计算出机床结合面的动力学参数,建立整机有限元模型,进行模态分析,获得前6阶固有频率与振型.进行了T-V855立式加工中心实验模态测试,由实验结果与模型仿真结果对比可知,实验模态测试结果和整机有限元仿真的结果一致,最大误差为8.7％,验证了考虑机床结合面的整机有限...     

连接件非均匀面压结合部动态性能建模与分析

基于栓接结合面非均匀面压分布与分形接触理论,通过静力仿真获得了结合部非均匀面压的分布规律,建立了结合面的动态参数的动力学模型,并将结合面的动态参数换算为虚拟材料的弹性模量、切变模量及泊松比等材料属性参数。提出了考虑结合面非均匀面压影响的栓接结合部有限元模型,结合有限元分析获得栓接结合部的理论模态频率及振型。将理论与实验模态相比较,所提出的模型能够准确地描述机械结合部的固有频率及振型等动态特性,可应用于提高数控机床整机的动态性能建模分析准确性。     

基于多目标的刨切机床身结构优化设计

以某数控刨切机床身为研究对象,提出一种基于灵敏度分析与结构优化设计相结合,以床身质量、最大静变形和一阶固有频率为优化目标的床身优化设计方法。建立床身有限元模型,对其进行动静态特性分析,通过对床身主要设计参数进行拉丁超立方试验设计,在此基础上,对各设计参数进行灵敏度分析并建立响应面模型,确定影响床身质量和床身动静态特性的关键参数,运用多目标优化算法对床身进行优化求解,根据优化结果,得到最佳优化方案。结果表明:床身质量减少 5.82% ,最大静变形减小 6.71% ,一阶固有频率提高 6.11% ,该优化方法在提高床身动静态特性的基础上,减轻了床身质量,为床身优化设计提供理论参考。     

基于有限元法的数控铣床立柱静、动态特性分析

利用UG建立了数控铣床立柱的实体模型,并运用Abaqus对立柱进行静、动态特性分析。通过静态分析计算了立柱的强度和刚度;利用模态分析法对立柱进行动态分析,获得立柱的前五阶固有频率和振型。立柱的静、动态特性分析,为结构的优化设计提供了可靠的理论依据。     

四磨头磨簧机模态分析及优化设计

针对磨簧机在加工过程中存在的颤动问题,采用有限元数值模拟分析方法,研究了四磨头磨簧机的动态特性.利用Solidworks三维软件对磨簧机进行了实体建模,运用有限元分析软件ANSYS Workbench对简化模型进行了模态分析,得到了各阶模态的固有振型和固有频率,并对磨簧机机床结构的薄弱环节进行了结构上的优化和改进.研究结果表明,通过对床身的改进,其动态特性的改善有利于提高整机的低阶固有频率;床身的第一阶固有频率提高了57.2％,改进后的整机第一阶模态固有频率提高了103％,并且远离电机的激振频率,能够防止加工过程中共振现象的发生.     

基于动态性能的坐标机桥框立柱结构优化设计

从坐标机桥框结构的动态性能出发,利用有限元软件ANSYS workbench对坐标机桥框结构进行动力学分析,同时考虑到了螺栓结合面与气浮轴承结合面的刚度,最大程度保证了分析的可靠性。从动力学分析结果得出立柱结构是影响桥框结构动态性能的关键部件的结论。利用Hyperworks软件对立柱结构进行拓扑优化确定初步设计结构,再对其进行尺寸参数优化确定了最终结构。通过与原始结构性能的对比,发现优化后的立柱结构总质量较原始结构减小了20.5%,一阶固有频率提高了60.79%,二阶固有频率提高了34.02%,优化结果比较理想。     

车铣复合加工中心动态特性分析

以DTM-B70车铣复合加工中心为例,对机床进行有限元动力学分析,分析机床的动态特性,为机床结构的动力学设计提供依据。研究了关键零部件动态特性结合面等效原理,介绍了支承件的结合面等效方法,基于支承件结构建立整机的有限元物理模型,分析其动态性能。根据动态特性分析,确定机床立柱为该机床薄弱环节,以便于后续对薄弱环节进行结构优化,提高部件的刚度和固有频率。     

14 t摩擦焊机整机静动态特性分析

以14 t连续驱动摩擦焊机整机为研究对象,建立了用于有限元分析的简化模型,对摩擦焊机整机进行了静动态特性分析。在静态特性分析中,对摩擦焊机受自重状态、摩擦加工阶段、顶锻加工阶段以及切削加工阶段等不同工况下的整机刚度、强度进行了校核,确定了焊机切削状态下刚度的薄弱位置,为焊件切削加工工艺参数的制定提供理论参考。在动态特性研究中,首先基于Block Lanczos特征提取法求解了整机前6阶固有频率,对焊机各阶振型进行了描述,通过与临界转速对比后,对摩擦焊机整机设计的安全性进行了校验。并基于其模态求解结果,对摩擦焊机进行了谐响应分析,得到了在切削力激励作用下床身与切削系统的频率响应特性。     

超精密飞切机床结合面虚拟材料法建模及模态优化

在超精密飞切加工中,机床自身的动态特性是引起加工表面微波纹的主导因素。为探究超精密金刚石飞切机床的动态特性及其对加工表面微波纹的影响机理,将虚拟材料法的结合面建模方法引入整机动力学模型中。进一步地,利用有限元分析软件进行整机的模态分析及优化。结果表明:相较于传统的弹簧-阻尼模型,该模型具有更高的综合精度。同时模态分析表明,机床固有频率为268 Hz的第五阶模态对加工尤为敏感,而通过适当增加结合面的结合刚度,可优化机床模态进而消除波纹提高表面质量。     

大型数控落地镗铣床立柱的有限元分析

通过三维软件建立了大型数控落地镗铣床立柱的三维模型,采用有限元软件建立了有限元计算模型,并进行了立柱的静态刚强度分析,计算了立柱的应力和变形情况。通过模态分析,计算了立柱1至10阶的固有频率和振型。分析结果表明,现有立柱的设计模型刚度、强度较好,立柱的第1、2阶固有频率较低,相邻阶次的固有频率差别较小。     

考虑结合部影响的卧式斜床身车床的动力学特性分析及优化

以某卧式斜床身车床为例,采用机床结合部特性仿真分析的有限元方法,建立基于结合面的整机有限元模型,根据实际工作情况对床身进行有静力析,得到最大应力变形和最大应力值。对整机进行模态分析,得到结合部对模态影响结果。根据静动态分析结果对床身结构进行优化,结果表明优化后床身静动态特性有显著提高。