本文介紹了基于Pro/MECHANICA的機(jī)床工作臺(tái)拖板的有限元建模和分析過程，并將分析結(jié)果與常用的通用有限元分析軟件ANSYS的分析結(jié)果進(jìn)行了比較虽缕。通過比較得出結(jié)論：有限元工程師完全可以利用Pro/MECHANICA軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)體建模和有限元計(jì)算的無縫集成盖袭，并且能夠保證有限元分析的計(jì)算精度，提高設(shè)計(jì)工程師的工作效率彼宠。

　　一、引言

　　機(jī)床支承件(如床身弟塞、立柱凭峡、拖板等)是機(jī)床的基礎(chǔ)部件，起著承受力和容納各種零部件作用决记。支承件的動(dòng)態(tài)性能直接影響到加工工件的精度和生產(chǎn)效率煤丧，所以要求設(shè)計(jì)出的機(jī)床支承件必須具有足夠的動(dòng)、靜態(tài)剛度谆胰。

　　長(zhǎng)期以來裕唯，國(guó)內(nèi)外機(jī)床支承件一般采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，但為了保證機(jī)床具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能扔摔，并盡可能減輕其重量菲缕，就要進(jìn)行精密的理論計(jì)算。機(jī)床支承件結(jié)構(gòu)復(fù)雜晕竿，至今尚未找到一種精確的方法來計(jì)算其動(dòng)態(tài)性能聂幅。但隨著計(jì)算技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，工程師可以依靠數(shù)值方法給出近似的喇比、較令人滿意的答案活乘。目前，在諸多方法中赚滨，用有限元建立機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力分析的數(shù)學(xué)模型已成為其理論建模中最重要的方法价恨。盡管有限元法還屬于一種近似計(jì)算方法，對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜惜辑、受力情況和阻尼情況復(fù)雜的支承件來說計(jì)算精度并不是很高唬涧，但它對(duì)于計(jì)算支承件動(dòng)態(tài)性能仍是一種最有效的方法。目前韵丑，用它來計(jì)算一般復(fù)雜程度的支承件的動(dòng)態(tài)性能爵卒，完全可以得到較為滿意的計(jì)算結(jié)果。

　　這里將利用美國(guó)PTC開發(fā)的有限元軟件撵彻，Pro/MECHANICA對(duì)機(jī)床支承件中的拖板進(jìn)行有限元分析钓株，計(jì)算出該零件的固有頻率和振型，為分析拖板的表面振動(dòng)響應(yīng)作必要的準(zhǔn)備陌僵，也為機(jī)床拖板轴合、床身、立柱等支承件的設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)碗短。

　　二受葛、當(dāng)前常用的有限元分析軟件及其特點(diǎn)

　　目前對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行有限元分析一般采用通用有限元分析軟件，如ANSYS偎谁、MARC等总滩。它們擁有豐富完善的單元庫(kù)、材料模型庫(kù)和求解器餐嗦，并且具有相對(duì)獨(dú)立的前蝌秕、后處理模塊，可以獨(dú)立完成多學(xué)科残膜、多領(lǐng)域的工程分析問題镐赖。其缺點(diǎn)是前處理模塊中的幾何建模功能不強(qiáng)，無法完成復(fù)雜模型的建模商爆，因此降低了結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的可信度从巾。一些流行的三維設(shè)計(jì)軟件卻具有極強(qiáng)的幾何模型的建模功能，如Pro/ENGINEER、UG和CATIA等趣临。這些三維設(shè)計(jì)軟件可以完成一些復(fù)雜的幾何模型的建模工作赖谷。為了克服通用有限元分析軟件建模功能較弱的缺點(diǎn)，當(dāng)前普遍采用軟件間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換掏榜，即采用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行精確的三維建模霹孙，通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口將模型以IGES、DXF或STEP格式讀入到通用有限元分析軟件中络兜，然后通過該軟件進(jìn)行精確的計(jì)算辐赞。

　　在模型轉(zhuǎn)換過程中常常會(huì)出現(xiàn)一些問題，特別是將一些復(fù)雜模型轉(zhuǎn)換到有限元軟件后也會(huì)出現(xiàn)一些面和線的丟失硝训、無法對(duì)模型中的一些特征進(jìn)行網(wǎng)格劃分等問題响委。所以在模型轉(zhuǎn)換后，要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力在有限元軟件中進(jìn)行幾何模型修補(bǔ)工作窖梁，這必然導(dǎo)致模型的不一致且增加了工作量赘风。雖然一些有限元軟件開發(fā)出了完善的數(shù)據(jù)接口，可以精確地將CAD平臺(tái)上生成的絕大部分幾何模型導(dǎo)入到有限元軟件中纵刘，但是兩種軟件的同時(shí)使用對(duì)設(shè)計(jì)平臺(tái)的軟硬件提出了更高的要求邀窃，會(huì)大大增加一些中小企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

　　通過對(duì)各種有限元軟件的對(duì)比分析我們發(fā)現(xiàn)假哎，Pro/MECHANICA可以實(shí)現(xiàn)與Pro/ENGINEER的完全無縫集成瞬捕，該軟件可以直接利用Pro/ENGINEER生成的幾何模型進(jìn)行有限元分析。由于Pro/ENGINEER具有強(qiáng)大的參數(shù)化功能舵抹，那么在Pro/MECHANICA中就可以利用該優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行模型的靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)肪虎。具體地說，當(dāng)模型的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)惧蛹，求解出滿足一定設(shè)計(jì)指標(biāo)(如質(zhì)量最小蚣狠、應(yīng)力最小等)的最佳幾何模型。

　　三弥败、機(jī)床拖板有限元模型的建立和計(jì)算

　　建立幾何模型這里分析的是一臺(tái)數(shù)控高速銑齒機(jī)床的X方向的拖板号蒙。該機(jī)床用于對(duì)大模數(shù)、大直徑齒輪的粗加工渣先。由于該拖板結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜物坝，所以選用Pro/ENGINEER軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模。

　　定義材料屬性

　　機(jī)床拖板是機(jī)床支承件中的重要部件短连，其在工作時(shí)承受工作臺(tái)和工件的巨大壓力，必須具有較高的強(qiáng)度唁底，所以材料選為灰鑄鐵HT250根术。根據(jù)相關(guān)資料，HT250的質(zhì)量密度為7340；彈性模量為1.55e11涮侥；泊松比為0.27灭大。

　　在菜單管理器【零件】中依次單擊【設(shè)置】→【材料】命令選項(xiàng)，并在其中定義上述材料屬性铐维。

　　定義約束

　　拖板在導(dǎo)軌上滑動(dòng)柬泽，導(dǎo)軌約束了拖板Z方向的移動(dòng)和繞X、Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)嫁蛇。絲杠座約束了拖板Y方向的平移锨并，拖板和導(dǎo)軌之間的壓板限制了拖板X方向的平動(dòng)和繞Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　在MECSTRUCT菜單中選擇Constraints→New→Surface睬棚，在系統(tǒng)彈出的定義對(duì)話框中定義以上的各個(gè)約束第煮。

　　劃分網(wǎng)格

　　在MECSRTUCT菜單中選擇MESH菜單選項(xiàng)進(jìn)行網(wǎng)格的定義和劃分，并對(duì)劃分網(wǎng)格的質(zhì)量進(jìn)行檢查抑党，不符要求的網(wǎng)格將在有限元網(wǎng)格模型中以紅色顯示出來包警。

　　建立分析任務(wù)，進(jìn)行有限元計(jì)算

　　在MECSTRUCT菜單中選擇Analyses/Studies底靠，在系統(tǒng)彈出的AnalysesandDesignStudies對(duì)話框中選擇File→NewModal...害晦，彈出模態(tài)分析任務(wù)定義對(duì)話框，在此對(duì)話框中設(shè)定分析任務(wù)后進(jìn)行分析計(jì)算暑中。

　　四壹瘟、機(jī)床拖板有限元模態(tài)分析結(jié)果

　　對(duì)機(jī)床拖板有限元模型的求解，一般不需要求出振動(dòng)系統(tǒng)的全部固有頻率和振型痒芝，由于低階模態(tài)對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的影響較大遥局，因此本文僅計(jì)算了前三階模態(tài)。同時(shí)肛精，為了驗(yàn)證有限元軟件Pro/MECHANICA用于機(jī)床零件模態(tài)計(jì)算的的正確性莽烫，本文另外采用了當(dāng)前流行的通用有限元分析軟件ANSYS對(duì)機(jī)床拖板進(jìn)行有限元模態(tài)計(jì)算，計(jì)算出前三階固有頻率和振型炬山，并與Pro/MECHANICA的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較汉渣。

　　五、結(jié)論

　　本文通過對(duì)機(jī)床拖板的有限元?jiǎng)恿W(xué)模型的模態(tài)分析匪从，算出了該機(jī)床零件的前三階固有頻率和振型赶匣。通過振型和動(dòng)畫顯示可以很直觀地分析機(jī)床拖板的動(dòng)態(tài)性能，并且找到零件的薄弱環(huán)節(jié)橄妄，為機(jī)床支承件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)卿怀。

　　本文在分析了通用有限元的一些缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了采用Pro/MECHANICA有限元分析軟件對(duì)拖板進(jìn)行模態(tài)分析的想法小赋，并通過它實(shí)現(xiàn)了實(shí)體建模和有限元分析計(jì)算的無縫集成镣凯，提高了有限元分析工作的效率外卷。通過與ANSYS軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，我們發(fā)現(xiàn)Pro/MECHANICA有限元模態(tài)計(jì)算結(jié)果也具有足夠的計(jì)算精度痹筛。這為其他的機(jī)床支承件的設(shè)計(jì)提供了新的方法莺治。

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