基于 HyperWorks 的拉床主溜板優化設計

2017-02-27 by:CAE仿真在線來源:互聯網

1 概述

拉床是一種采用拉刀加工各種內外成型表面的機床,生產效率高,加工質量好,廣泛應用于汽車、摩托車、農機、航空及工程機械等行業。近年來,由于機床工業對發展制造業和提升實體經濟具有戰略意義,各國政府和相關學者高度重視對拉床和拉削技術的研究。如,近年來,英國諾丁漢大學 D.A. Axinte 等對拉削過程在線檢測、控制系統和拉削工藝[1, 2]進行了系統研究。我國專家也對拉削振動的產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構來實現。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、內部傳動機構的作用力,它們產生的變形對工件的加工精度和表面質量有很大的影響。哈爾濱工業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行元件的溜板二自由度振動主動控制系統的數學模型[5]。武漢理工大學賀大興等人結合超精密機床的發展規律,運用優化設計的方法,設計了無遲滯、自耦合的溜板結構避免了導軌誤差產生的流通激振[6]。目前,對拉床主溜板的結構優化設計研究還鮮見報道。

國內外很多學者和專家把有限元的方法運用到機床設計中,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 拉床主溜板進行優化設計。首先建立主溜板有限元模型,進而進行主溜板靜力學分析,以驗證進一步優化的可能;接著進行模態分析,預測主溜板的動態特性和薄弱環節;然后提出主溜板結構優化方案,基于 OptiStruct 平臺進行拓撲優化。最后獲得 LG5710 主溜板優化設計幾何模型與量化的性能對比分析結果。

2 有限元建模

有限元建模是進行有限元分析和優化設計的基礎,主要包括網格劃分、邊界條件和載荷設定。單元質量的好壞往往直接影響有限元求解結果的精確性。細密的網格可以使結果更精確,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,四面體網格,網格單元大小為 10mm,采取自動網格劃分。主溜板網格節點數:49254,單元數目:212648。材料為 45 號鋼。如圖 1 所示。

圖 1 有限元網格圖 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。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生很大的拉削力,主溜板整體會產生應力和變形。如果發生的變形大于允許的誤差要求,那么生產出來的廢品將會大大增加,影響生產效率和經濟效益。如果受到的應力大于主溜板所用材料的屈服極限,主溜板將發生很大變形,甚至發生破壞造成危險。通過對主溜板進行靜力分析,可以得到主溜板的應力和應變,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,主溜板大部分區域安全系數為 N = σ s / σ max = 355 / 176.2 = 2.015 。主溜板應力分布不均勻,主體和工作臺還有很大的應力余量。從以上分析可以得出,主溜板設計的安全系數較大,遠遠超過靜強度要求。由圖 4 可以得出,主溜板低應力區域過多,高應力區域占的比例太小,應力分布不均勻。從應力分析的角度,材料抵抗破壞的能力還有很大余量,所設計的主溜板安全系數達到2 以上,設計過于保守。應力值低于材料的強度極限,應力集中不會影響主溜板的剛度,主溜板有進一步優化的可能。

圖 4 主溜板應力云圖

4 模態分析

圖 5 主溜板前 6 階模態參數與振型

在 HyperMesh 中做結構模態分析,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 階模態參數與振型,可見主溜板的振型多表現為局部的彎曲扭轉組合變形,響應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構改造,增強主溜板的力學性能。

5 主溜板拓撲優化

前面內容分別對拉床主溜板進行靜力學分析和模態分析。通過靜態分析,我們得知主溜板是滿足強度和剛度要求的,但是設計較保守。通過模態分析,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位移和響應應力,這些部位是主溜板可能的薄弱環節。在不改變主溜板大的結構的前提下,提出主溜板進行結構改造方案:一是在工作臺和溜板主體連接部位設置加強筋;二是利用拓撲優化減少富余材料。

前面已經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。現在需要對模型進行拓撲優化,以單元密度為設計變量,優化的目標是減少使用的材料。但是,減少材料后可能會導致剛度的降低以及變形加劇,因此,在優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量,需要對孔中心處節點的位移進行約束,使其在 Z 軸方向上的位移不超過 0.05mm。

圖 6 所示為可設計材料最優化布局的等值面圖,保留 0.3 密度值以上的材料。由于沒有制定設計區域,上圖保留的材料實際上破壞了主溜板與工作臺導軌連接的部分,因此我們在拓撲優化基礎上, 在幾何模型中做出補償。如圖 7 所示,大體按照拓撲優化和增加加強筋的方案實現結構優化。表 1 給出了優化前后的部分性能對比。可見在工程用料方面,優化前主溜板重量約為 4.850t,優化后主溜板

重量約為 4.498t,節省了 0.352t,從而減輕了重量,同時節約了成本。在動態特性方面,第一階自然
頻率顯著提高,大幅度改善了結構剛度。