立柱整机有限元分析论文

2022-04-15

摘要：首先应用三维设计软件建立某数控卧式加工中心的三维模型。将三维模型转化为整机的有限元模型，并对其进行了静态分析和动态分析，得出了三个方向的静刚度和整机1-5阶固有频率和振型，寻找出了机床的薄弱环节，为机床结构的优化设计提供了参考依据。下面是小编为大家整理的《立柱整机有限元分析论文(精选3篇)》，欢迎阅读，希望大家能够喜欢。

立柱整机有限元分析论文篇1：

基于有限元法的立式加工中心的动态分析

摘要：本文建立了XH715立式加工中心的有限元分析模型，运用有限元分析法对该立式加工中心进行了模态分析和谐响应分析。分析结果表明，优化的XH715立式加工中心工作性能优于原模型，对生产实际有指导意义。

关键词：有限元分析模态分析谐响应分析

自21世纪以来，在数控机床的结构设计方面已经由静态分析、线性计算向动态分析、非线性计算方向发展；由可行设计向最优化设计方向发展；由人工运算向智能计算方向发展[1]。数控加工机床已经向高速度、高精度、多自由度、低成本等现代要求发展，数控机床的产品核心竞争力在不断提高。

1 建立模型

当前科研院所和高校通常使用的有限元分析软件为ANSYS，它具有强大的网格划分、后期加载和求解能力。但是ANSYS建模相对复杂，无论利用ANSYS提供的自下而上或自顶向下建模方法，对于一个复杂的数控机床几何模型来说，都很繁琐[2]。而Pro/Engineer是一个相对比较高效的三维立体几何建模工具，它可利用自身优势，相对比较快的建立具有复杂几何形状的模型。同时，可以把Pro/Engineer建好的几何模型导入ANSYS中进行有限元分析[3]。本文所选用的建模软件为Pro/ENGINEER，有限元分析软件为ANSYS。

2 模态分析

动载荷结构中最重要的两个参数是固有频率和振型。由机械设计手册可以查得该机床的主轴的最高工作转速为9000 r/min，在高阶模态方面，其固有频率已经远远大于有可能出现的激振力频率，很大概率不发生共振；在低阶模态方面，只有最低几阶模态的固有频率才有可能与激振频率重合或接近，综上所述，本文只研究机床的低阶模态。对以上模态分析，前5阶的模态分析结果如表1所示。

由表1的数据可得，第1、4阶模态的主振系统是床身和立柱，做的是整机的Y轴摆动，因此固有频率取决于立柱的Z向刚度。第2、3阶模态的主振系统为床身与立柱，做的是床身与立柱绕Z轴的扭曲变形。第5阶模态的主振系统是床身与立柱，做的是绕X轴的弯曲变形。

3 谐响应分析

在对XH715立式加工中心进行整机的谐响应分析时，在安装刀具的部位分别加载X轴、Y轴、Z轴方向分力，其幅值均为1 000 N的。根据上文得到的模态分析结果，设置简谐力的频率为40～190 Hz，采用非完全共轭求解器。

图2为在40～190 Hz内，机床刀具部位在简谐力激励下的振动幅频响应曲线。由图2可知，只有在第2阶固有频率（79 Hz）激振时，系统发生共振幅值最大，其他固有频率激振时对机床刀具部位的影响相对较小。非固有频率激振时，系统的响应几乎于零。

4 结论

本文利用Pro/ENGINEER和ANSYS对XH715立式加工中心进行了模态分析和谐响应分析，得到了前5阶固有频率和振型。可利用分析结果对机床结构加以改进，对生产实际具有理论和实际指导意义。

参考文献

[1] 倪晓宇，易红，汤文成，等.机床床身结构的有限元分析与优化[J].制造技术与机床，2005（2）：47-49.

[2] 诸乃雄.机床动态设计原理与应用[M].上海：同济大学出版社，1987.

[3] 张朝晖.ANSYS工程应用范例入门与提高[M].北京：清华大学出版社，2004：232-259.

作者：单英杰

立柱整机有限元分析论文篇2：

某数控卧式加工中心整机有限元分析

摘要：首先应用三维设计软件建立某数控卧式加工中心的三维模型。将三维模型转化为整机的有限元模型，并对其进行了静态分析和动态分析，得出了三个方向的静刚度和整机1-5阶固有频率和振型，寻找出了机床的薄弱环节，为机床结构的优化设计提供了参考依据。

关键词：机床有限元法静力分析模态分析

0 引言

机床是由多个零部件组成的复杂组合结构，仅对个别零部件进行分析，无法全面反映机床整体的性能，必须对机床进行整机有限元分析。

有限元分析是一种分析计算复杂结构的数值计算方法，为机床的静、动态特性分析提供有力的工具。本文以某卧式加工中心为研究对象，采用有限元分析软件对其进行静力分析和模态分析，徐找机床的薄弱环节，为机床设计的改进提供依据。

1 有限元模型建立

利用Pro/ENGINEER软件进行机床整机的CAD建模。为了节省计算时间，提高分析效率，尽可能如实地反映机床的主要力学特征前提下。需要对CAD模型进行必要的简化，比如删除掉倒角、圆角、螺纹孔等小特性以及不涉及力传递的小零件。简化后的CAD模型如图1所示。

将CAD模型导入ANSYS软件，根据零部件之间实际的接触情况，设置接触面的接触形式，所有外购件的刚度来自供应商的样本手册，其刚度特性由假想材料模拟。采用四面体单元进行网格划分。有限元模型由259565个单元，811144个节点组成，有限元模型如图2所示。

2整机静力学分析

首先进行只受重力状态下的整机计算，然后分别在刀具和工件的对应面上施加X，Y，Z三个方向的力并观察机床各个部件的变形情况，在X方向受力变形情况如图3。

经测试该卧式加工中心整机的载荷施加和刚度情况如表1所示。

3 机床薄弱环节查找

数控机床工艺系统是一个机床-刀具-工件组成的串联系统，工艺系统刚性低于整机中刚性最低的部件，因此分析各部件对工艺系统刚性的影响，找出薄弱环节，提高机床刚度。

机床各部件对Fx，Fy，Fz分别作用下所引起变形的影响如图4所示。

图中横坐标为机床的各个部件，纵坐标为各部件变形在工艺系统变形中所占的比例情况。

4 整机模态分析

模态分析是整机动态特性的基础，也是研究整机动态特性的必要工作。通过模态分析可以判断阵型是否影响加工精度，为机床结构件的优化提供判断依据。

如图5所示为整机的一阶固有频率为35.338Hz，振型为绕机床Z轴摆动。

其余几阶的固有频率及振型情况如表2所示。

5 结论

通过对某卧式加工中心的整机有限元分析，得到了整机的静、动态性能，并寻找出机床的薄弱环节，为结构的优化提供参考。得出以下结论：

1.机床的三个方向的刚性比较好，X方向刚性相对较低，但可以保证正常工作。

2.整机的固有频率均较高，保证了机床的动态性能。

3.分析得出立柱为相对薄弱环节，进行合理的改进可以进一步提高机床的静、动态性能。

参考文献：

[1] 夏链.大型数控落地镗铣床整机分析[J].机械制造，2010（2）：9-11.

[2] 袁松梅.数控机床整機有限元分析[J].机床与液压，2008（4）：17-18.

[3] 曾攀.有限元分析及应用[M].北京：清华大学出版社，2008：447-452.

作者简介：

李帅，男，1986年生，毕业于东北大学机械设计及理论专业，工学硕士。工作单位：沈阳机床（集团）有限责任公司设计研究院，工程师。主要研究方向：金属切削机床切削测试、切削仿真、机床整机性能优化等。

（作者单位：沈阳机床（集团）有限责任公司）

作者：李帅

立柱整机有限元分析论文篇3：

海上风力发电机塔架攀爬机器人机体结构的有限元分析

摘要：通过设计海上风力发电机塔架攀爬机器人的结构，利用有限元分析，对机器人的传动部分、支架部分、攀爬部分进行分析，利用有限元方法以及理论计算进行对照，将传动部分的齿轮、攀爬部分的滚轮、支架部分的压紧块进行了有限元分析，得出结论，机体结构合理，强度较高，疲劳寿命好，振动较低，不易产生共振，可以很好地在海上风力发电机上工作，为后续海上风力发电机塔架攀爬机器人的研究提供了有效的帮助。

关键词：海上风力发电机;风机塔架攀爬机器人;有限元;静强度

我国很多地区都是高风能地区，除海拔高山外，海上的风力能源更集中，更适合发展风力资源。尤其是2015年莆田平海湾国内海上最大海上风力发电机的建成，更是标志着海上风力能源的有效利用。但风能的开发受到设备的影响，在风力集中的地方，环境也十分恶劣，设备的损坏率较高，对于风力发电设备的运行会产生较大影响。因此为解决风能设备的检修问题，本文通过设计海上风力发电机塔架的攀爬机器人来辅助在海上复杂环境下的海上风力发电机叶片检修工作。

配合人工海上风力发电机巡检工作的机器人发展已经越来越成为一种趋势。目前，对于工业机器人的研究未来将会在感觉功能、智能化控制、智能化移动人机合作、自我修复、微型化方向发展[1]。而这之中，对于在垂直面的攀爬机器人中，邵杰[2]在基于壁虎形态仿生的爬壁机器人技术研究中设计了一种仿生类的爬壁机器人，他对机器人进行详尽的分析，并通过实验证明了它的实用性;刘华涛、吴善强[3-4]等所设计的爬壁机器人均为吸盘式爬壁机器人，他们分别对吸盘的吸附力和能耗进行了研究;吴善强、李满天[5]等人对爬壁机器人的无线遥控进行了分析。

对于零部件的可靠性研究，一般是利用有限元方法进行分析，有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。利用简单而又相互作用的元素（即单元），就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统，通过有限元分析软件，可以有效地对零部件进行强度等多方面分析，得到其可靠性。有限元分析可以用在很多方面，廖金深、李健、王开松、张波、姚鹏华[6-10]等人对客车车身、主轴箱、汽车驱动桥壳、变速箱等多种装置进行了有限元分析，都得到了合理的结果。

本文将通过有限元分析对海上风力发电机塔架攀爬机器人进行强度校核，以得到机器人的使用性能，为后续研究提供指导。

1 三维模型建立与有限元模型分析

1.1 三维模型建立与有限元模型分析

海上风力发电机塔架攀爬机器人主要有几个部分组成，包括了机体支架部分、攀爬部分以及传动部分，如图1所示：

可以在图中看到海上风力发电机塔架攀爬机器人机体支架主要为支撑板部分，以及后座的方管部分，方管的设计首先可以有效地降低机器人的质量，从而降低传动电机所需施加的力矩，使得机器人更好地向上攀爬，且可以达到小型化、轻量化的要求;而支撑板部分设计为可开合结构，通过电机带动齿轮传动机构令支撑板进行开合动作，使得机器人可以上下攀爬运动。其次，攀爬部分主要有四个小轮及一个大轮组成，下轮安装在支撑板上，大轮安装在方管上，中间小轮与减速机连接，带动整个机体进行运动，大轮作为辅助滑动以及机体运动过程中的支撑部分，可以使得机体稳定地运动。此外，机体支架部分开设了可以安装外设摄像机的内嵌槽，安装后可对海上风力发电机叶片进行损伤检测。

1.2有限元模型建立分析

海上风力发电机塔架攀爬机器人在攀爬过程中，海上风力发电机基座立柱部分表面较为光滑，因此，进行有限元分析，首先，确定机器人所需进行分析的部分。

1.2.1传动部分

传动结构主要有齿轮及电机，由于传动部分主要工作是机体支架的开合以及运动过程中的夹紧，因此，需要对齿轮进行静强度分析。齿轮部分为两个单级齿轮的串联传动，减速电机输入一个齿轮带动另外两个齿轮。如图2所示，为三个齿轮的传动方式，如表1所示，为齿轮基本参数：

根据上述分析，由于齿轮之间齿数相同，因此传动比为1：1，且主要受力为夹紧时的受力，因此，分析一对齿轮的静强度。整机质量约为7kg，海上风力发电机立柱直径约4m，立柱摩擦系数取0.3，重力系数取10N/kg，因此可以得到齿轮受载的最大力矩为：

即齿轮输出的力矩应当在462 N.m。

1.2.2支撑与滑动部分

支撑与滑动部分，主要为支撑块以及滚轮的受力，因此，需要对这几个零件进行有限元的强度分析。滚轮在滑动的过程中，主要为大滚轮会分担较多的轴向力。因此，根据滚轮比例确定其受力情况。上文中已经作了分析，因此，径向力为重力乘以摩擦系数μ：

此外，滚轮与风机立柱表面接触滚动过程中，会受到一定的外部激励，因此需要对风机爬行机器人进行模态分析，模态分析可以有效地分析机体的平顺性和疲劳寿命，其目的在于优化结构以控制机体的模态频率和模态振型。

2 关键零部件有限元分析

2.1齿轮静强度分析

在建立好一对啮合齿轮的三维模型后，將其导入到hypermesh进行网格划分。齿轮网格选择六面体规则网格，网格类型选择solid185，材料取较好的齿轮渗碳钢，接触极限和弯曲极限分别为1070MPa与700MPa;弹性模量及泊松比分别为206000MPa及0.3。

网格划分完成后进行前处理工作，定义材料属性、网格属性、受力情况、约束情况、齿轮接触面设置等，在齿轮分析中，一般固定从动齿轮的6个自由度，及主动齿轮除轴线旋转自由度外的5个自由度，通过设置主动轮中心与轮缘的刚性连接，转矩施加在中心处，完成前处理。

前处理完成即可输出至ANSYS进行有限元分析计算。如图3-4所示，为齿轮分析的接触强度与弯曲强度的应力情况：

由图可知，接触应力约为604MPa，弯曲应力为159MPa。将数据与理论计算值作对比，通过引用机械设计手册齿轮强度校核计算公式，得：

式中，各个符号分别为基本接触应力值，许用接触应力值，基本弯曲应力值，节点区域系数，弹性系数，重合度系数，接触强度螺旋角系数，切向力，分度圆直径，齿宽，传动比，接触应力极限，接触寿命系数，润滑系数，齿面工作硬化系数，接触强度计算的尺寸系数，最小接触安全系数，基本弯曲应力值，许用弯曲应力值，模数，应力修正系数，弯曲强度螺旋角系数，弯曲极限，试验齿轮应力修正系数，弯曲强度寿命系数，齿根圆角敏感系数，相对齿根表面状况系数，弯曲强度计算的尺寸系数，最小弯曲安全系数。

具体计算后，得出结果，可知，有限元结果小于理论计算许用值，齿轮设计合理：

2.2 支撑与滑动部分的有限元分析

支撑与滑动部分主要是对滚轮以及部分支撑架进行有限元分析，步骤同齿轮有限元分析基本相同。其中滑动部分的滚轮只需对一个大滚轮和一个小滚轮进行分析，支撑架则对支架部分中间的压紧块进行分析。

2.2.1网格划分及其前处理

滚轮以及压紧块，均为规则结构，因此网格仍然选用六面体网格更加合理。如图5所示，为滚轮网格划分以及约束条件、受力情况处理效果图：

2.2.2有限元分析

前处理完成即可输出至ANSYS进行有限元分析计算。其他分析零部件的基本步骤与上述小滚轮操作步骤基本相同，对轴端面约束，并对滚轮与海上风力发电机接触线施加力载荷，总大小为上述轴向力F数值。其中，压紧块为了方便计算，将安装孔简化。其他不作过多描述，直接计算后得出结果，如图6-8所示，为滚轮及压紧块的受力情况：

可以明显看出各部分受力较小，最大受力一般为边缘处，分别为29.84MPa、4.12MPa、4.68MPa，应力均较小，满足使用要求。

3 结论

根据上文中对海上风力发电机爬行机器人的有限元分析，可以得出以下结论：

（1）整机结构合理，传动系统保证了机器人可以有效地在海上风力发电机上进行爬行，将外设损伤检测的摄像机连接上机器人，可以很好地对海上风力发电机损伤进行检测。

（2）通过有限元分析可知，传动部分、滑动部分以及支撑部分的关键零部件强度较高，均符合使用要求。

参考文献：

[1] 高鹏. 机器人技术发展浅析[J]. 硅谷， 2010（21）：21-21.

[2] 邵洁. 基于壁虎形态仿生的爬壁机器人技术研究[D]. 北京理工大学， 2014.

[3] 李伟，李力行，叶庆泰.基于概率理论的 RV 减速器的传动误差计算[J].机床与液压，2004，1：122-123.

[4] 吴善强，黄佩佩，武丽君，等. 滑动式爬壁机器人负压吸附机构低能耗设计[J]. 机电工程， 2011， 28（3）：320-323.

[5] 刘华涛，钱志源，赵言正. 爬壁机器人滑动式负压吸盘吸附特性的实验研究[J]. 机电一体化， 2006， 12（3）：43-45.

[6] 廖金深，沈光烈，林圣存. 对某微型客车车身结构的有限元分析[J]. 广西科技大学学报， 2016， 27（1）：58-61.