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1、华中科技大学 硕士学位论文 数控加工中心立柱的有限元分析和试验研究 姓名：汪海滨 申请学位级别：硕士 专业：精密仪器及机械 指导教师：徐振高 20070128 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 目前我国机床结构设计的方法多数仍停留在感性和经验设计阶段， 导致产品的精度 和可靠性难以达到国际水平，在很大程度上制约了我国机床行业的发展。 本文以 LH714 型加工中心的立柱为研究对象，将有限元法这一最常用的结构分析 方法引用到立柱的结构分析和设计中来。首先，根据加工中心的结构特点以及立柱的受 力情况，对立柱的局部结构作了适
2、当的简化，在 SolidWorks 中建立了立柱的几何模型， 并转化为 IGES 格式文件导入 ANSYS 中，通过对模型做适当的几何修补和完善、定义 单元类型和材料属性、施加边界约束条件、划分网格后建立了立柱的有限元模型。然后 根据静态力学的有关知识，提出了立柱三种静态工况的模拟，并施加载荷对立柱进行静 力有限元分析。根据强度理论的适用条件和范围，选择了第一强度理论对分析得到的结 果进行强度的校核，并参照设计精度要求，根据最大位移变形量对立柱的刚度进行了评 估。由模态分析得到了立柱的前十阶固有频率和振型。通过现场应变测试，得到了立柱 上的应力应变分布规律，并提出了一种立柱应变的快速实用的检测
3、方法。 有限元分析的结果表明，立柱的强度是满足设计要求的，但刚度不够。上述结果是 模拟立柱在设计限定的极限载荷作用下得到的，而实际上，在极限工况下，加工产生的 反作用力是远远达不到极限载荷的。从应变测试的结果可以看出，加工中心在正常加工 时，即便是处在极限工况下，立柱产生的应变也接近于零。因此，从这一点可以说明实 际中立柱的刚度还是能够满足大多数加工要求的。 最后，本文在现有理论分析和测试试验的基础上，提出了今后研究的目标和方向。 关键词：关键词：加工中心 立柱 有限元分析 应变测试 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstr
4、act In our country, most current structural designs of machine tools remain in sensible and experiential phase, which results in poor precision and reliability that cannot achieve the international level; it has greatly restricted the development of machine-tool industry. This thesis, based on the c
5、olumn of NC (Numeric Control) machining center, introduces FEM (Finite Element Method), which is in common use in structural analysis, into columns research and design. Firstly, some simplifications are made to part structures of the column, according to the structural characteristics of the NC mach
6、ining center. Geometrical model is established in SolidWorks and translated into IGES file format, which can be imported into ANSYS easily. Finite element model is built up after following work: geometrical repair and perfection, determining the type of element and property of the material, restrict
7、ing the boundary conditions, and meshing elements. Referring to static mechanics, three types of static operating conditions are simulated and static finite analysis is made after the loads are applied. According to the applicability of strength theory, first strength theory is chosen to check wheth
8、er the strength is strong enough. Rigidity of the column is verified with the maximum displacement referring to the design accuracy. The first ten natural frequencies and corresponding modes are obtained from modal analysis. Based on the field strain testing, the distribution of the effective strain
9、s on the column is acquired, and a fast and practical method of field strain testing is put forward. The results of finite element analysis show that the column is of sufficient strength and insufficient rigidity. The results above are obtained by simulating the functioning of the maximum force load
10、ing on the column. Actually, under the limit operating condition, the counterforce produced by machining is far lower than the maximum load. The result of strain testing reveals that under the condition of normal processing even if the limit operating condition, the procreant strain is close to zero
11、. Therefore, it proves that the actual rigidity of the column can meet most demands of processing. Finally, based on the theoretical analysis and experiments that have been done, the research subjects and direction for the future are indicated. Keywords: NC Machining Center, Column, Finite Element A
12、nalysis, Strain Testing 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部
13、分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 (请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 课题的来源课题的来源 本课题来源于华中科技大学机械学院与浙江联强集团的合作项目。 研究对象为该公 司生产的LH714型加工中心的立柱。 研究内容包括： 对加工中心的立柱进行有限元建模， 在此基础上进行动静态有限元分析，以及对立柱进行
14、有关测试试验，并提出改进意见。 1.2 研究的背景与意义研究的背景与意义 数控加工机床作为基本的生产设备，在当今制造业中发挥着越来越重要的作用，它 正朝着高精度、高速度、高刚度的方向发展。但是目前我国机床结构设计的方法比较落 后，大部分机床生产企业还停留在感性和经验设计阶段，用这种方法设计机床结构，不 但开发周期长，设计成本高，资源浪费量大，而且往往由于机床某些部件结构设计不合 理，导致机床结构缺陷，引起结构动静态刚度不足，产生各种变形、振动，加工时刀具 与工件间产生相对变形和振动， 使零件加工精度降低， 精度和可靠性难以达到国际水平， 在很大程度上制约了我国机床业的发展。 结构振动(Stru
15、ctural Vibration)是研究机械设备运动和力学问题的重要基础。 据统计， 机械设备、特别是运动机械，由于振动问题引起的机械故障率高达60%70%，振动常 常是造成机械和结构恶性破坏和失效的直接原因。在一般情况下，超出规范标准的振动 (如机床颤振、耦合振动等)都会缩短机器寿命，影响机械加工质量，并且降低机械及电 子产品的使用性能，甚至产生公害，污染环境。现在，振动分析和振动设计已成为产品 设计中的一个关键环节， 它对国民经济建设中的重大工程和人民的生命安全都有重大的 影响，也是重大工程中的关键力学问题之一。 因此，对数控机床各部件结构设计的研究，特别是运动学的研究显得尤为重要。在 计
16、算机软硬件技术飞速发展的背景下， 许多发达国家通过运用大量先进的分析和设计方 法，在机床结构优化设计方面已经实现了设计的计算机辅助化。有限元分析法便是其中 之一，首先利用 CAD 和 CAE 软件建立结构的有限元模型，再使用有限元分析软件对其 进行结构静力和结构动力学分析，得到结构的变形和应力分布情况以及固有频率和振 型，为校核结构强度和动静态刚度以及进行后续的优化设计提供依据。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 1.3 有限元理论的发展与现状有限元理论的发展与现状 20 世纪 40 年代初，航空业的发展对飞机结构提出了更高的要求，为了达到减轻质 量，同时又提高强度和刚度的目的，科学家们进行了精确的设计和计算，于是在工程中 产生了矩阵力学分析方法。1943 年，Courant 发表了一篇使用三角形区域的多项式函数 来求解扭转问题的论文1
