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超重型數控龍門移動鏜銑床橫梁的有限元分析與結構優化

2． 2 建立橫梁體有限元模型

運用 Siemens PLM Software NX7． 5 軟件高de 級分析模塊建立橫梁有限元分析模型，為了減少有限元網格數量和歧異網格的生成，針對橫梁體上對分析結果影響不大的圓角、小孔和臺階等結構作一定的簡化處理( 即忽略不計) ; 采用 10 節點四面體有限單元網格對橫梁體有限元模型進行網格劃分，劃分結果為: 橫梁部件中的單元數目為 328 149，節點數目為 397 719。橫梁體有限元劃分結構如圖 4 所示。

超重型數控龍門移動鏜銑床橫梁的有限元分析與結構優化

文獻［4］中數控機床尤其是銑床，橫梁是很關鍵的結構，其設計水平的好壞直接影響整個機床性能。對于橫梁的優化主要從兩方面考慮: ①在不增加質量的前提下，使橫梁上的大變形化，提高橫梁的靜剛度; ②優化中初階固有頻率不小于設定值，提高橫梁的動剛度。優化的具體實施步驟如下: 首先，通過形狀及拓撲優化確定橫梁佳的截面輪廓和肋板布置方案，得到概念模型; 其次，通過尺寸優化確定合理的外形尺寸和肋板厚度。CAE 軟件優化模塊可以定義多個設計變量和狀態變量，設計變量為自變量，狀態變量和目標函數都是設計變量的函數。如橫梁結構的長、寬、高尺寸以及筋板厚度等定義為設計變量，橫梁結構變形和應力隨設計變量的變化而變化，是設計變量的函數，可以定義為狀態變量，使結構重量化定義為目標函數。

超重型數控龍門移動鏜銑床橫梁的有限元分析與結構優化

1 大型龍門機床橫梁研究進展

橫梁是超重型數控龍門移動鏜銑床中的主要支承部件，橫梁結構的好壞直接影響到機床的使用性能和制造成本。要提高機床的加工效率、精度，必須考慮機床結構中橫梁的剛度等靜態特性。國內外在機床橫梁研究方面主要采用有限元分析方法，對機床橫梁結構剛度進行評估。

在數控龍門機床橫梁體結構設計過程中，文獻［2］中有橫梁體板筋形式、橫梁體截面形狀及導軌的分布形式可以參考。文獻［3］中不同筋板結構的橫梁抗彎、抗扭能力不同，O 字型結構橫梁除了工藝性能優越之外，抗彎抗扭性能也比其他橫梁好，而且各階固有頻率也比其他結構橫梁各階固有頻率高。通過改變橫梁體的結構形式，如: 改變橫梁體截面的長度和寬度、內腔筋板的結構形式、橫梁導軌的尺寸大小和厚度、橫梁體的壁厚和關鍵部位筋板的壁厚等，來提高橫梁體剛性等性能。