GTM500200车铣加工中心滑枕关键部件及功能的有限元分析
4滑枕关键部件及功能的有限元分析
4.1有限元分析技术
4.1.1有限元技术
有限元法是在结构分析的矩阵位移法基础上发展起来的。“有限单元”(finite element analysis-fea&fem)是由clough*提出的(1960)。有限元方法是处理连续介质 问题的一种普遍方法，离散化是有限元方法的基础。有限元方法是摆脱了各种各样的工 程背景而成为一种具有普遍意义的数学方法。
有限元方法是将一个连续体有无限多个自由度（属于无限维空间），转化成一个有 限自由度（属于有限维空间），建立有限元方程，求其近似解。建立有限元方程大体有 三类方法：直接法：结构力学引申过来。变分法：有限元的一种形式。加权 残值法：非线性，伽辽金(galeridn)法（即，选形函数为权函数的加权残值法）属于这一 类。
有限元一般分析过程：
先将求解域离散为有限个单元，单元与单元只在节点相互连接；…-即原始连续求 解域用有限个单元的集合近似代替。
对每个单元选择一个简单的场函数近似表示真实场函数在其上的分布规律，该简单 函数可由单元节点上物理量来表示…-通常称为插值函数或位移函数。
基于问题的基本方程，建立单元节点的平衡方程（即单元刚度方程）。
借助于矩阵表示，把所有单元的刚度方程组合成整体的刚度方程，这是一组以节点 物理量为未知量的线性方程组，引入边界条件求解该方程组即可。
4.1.2 有限元分析软件 sol idworks® simulation
solidworks® simulation是一个与solidworks®*集成的设计分析系统。 solidworks simulation提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、 热分析和优化分析。solidworks simulation凭借着快速解算器的强有力支持，使得您能 够使用个人计算机快速解决大型问题。solidworks simulation提供了多种捆绑包，可满
足您的分析需要。
solidworks simulation节省了搜索设计所需的时间和精力，可大大缩短产品上
市时间。
-64 -
大连理工大学专业学位硕士学位论文
该软件采用了有限元方法（fem)。fem是一种用于分析工程设计的数字方法。 fem由于其通用性和适合使用计算机来实现，因此已被*为标准的分析方法。fem 将模型划分为许多称作单元的简单小块形状，从而有效地用许多需要同时解决的小问题 来替代一个复杂问题。
4.2滑枕体的有限元分析
4.2.1建立滑枕体的三维模型
运用有限元分析方法的终目标是要仿真出一个实际工程系统的数学行为特征，因 此必须建立准确的数学三维模型来仿真实际的物理原型。但是，由于龙门移动式车铣加 工中心的滑枕体结构比较复杂，内部管道及安装孔等细小结构较多，由于复杂的零件三 维模型直接导入，会导致软件模型无法生成的问题，因此需对龙门移动式车铣加工中心 的滑枕体模型进行适当的优化和修改，优化的基本原则可以参考以下几点原则：
(1)在建模时力求准确，以便真实反映实际结构的静动态特性；
(2)忽略数学模型中所有小特征，包括倒角、圆角、小孔及凸台等细微且不重要
结构；
(3)对数学模型中的小锥度、小曲率曲面进行直线化和平面化等处理；
(4)不考虑或忽略对整体静、动态特性影响小的零部件结构。
简化后的数学三维模型如图4.1所示，将优化过的三维模型导入有限元分析软件 solidworks simulation中，建立滑枕体的有限元模型。
结 论
本文gtm500200龙门移动式车铣加工中心的滑枕 部分的一些关键的技术问题展开研究及分析，并对机床的滑枕体做了有限元分析比较， 使得机床关键受力构件得以改进，集成了滑枕的接口技术，提升了机床与各种特殊功能 的附件头的适用性，提高了机床的使用效率。适用于风电能源、军工、重型机械、铁路 及交通、航空航天、船舶等行业。主要完成了以下工作：
(1)根据设计方案及参数要求，设计了一套滑枕主轴箱。对滑枕内部结构的优化， 采用了内装电主轴，节省了安装控间；采用无螺纹及键连接的分段式主轴，便于实现动 平衡、加工及安装；分析并比较了滑枕体的形式和材料。
(2)集成并优化了各种多功能附件头所需的滑枕的对接接口。使滑枕对接接口能 提供内、外冷却液供给，附件头外加动力电源供给，附件头位置传感器监控对接，附件 头冷却水循环接口等。为拓展机床的功能提供了基础。
(3)优化了滑枕体热伸长变形问题，提出了两种解决方案，降低了由于滑枕热伸 长导致的加工误差过大，从而提髙加工精度。在实际应用中，考虑到生产成本及技术问 题，倾向于采用殷瓦合金方案。
(4)计算了滑枕体运动的z轴静压腔的受力面积，得出静压工作所需的各项参数。 分析了滑枕导轨油腔压力、流量、刚度之间的关系
(5)应用有限元方法，分析了滑枕体的静态及动态特性，以此检验并优化了滑枕 体的设计。
随着国内风电、核电工业以及船舶制造、航空、航天等关系国计民生的重点行业对 各种精度高、工艺多、形状复杂的大型盘类零件的加工要求，大型龙门移动式车铣加工中 心将迎来更加广阔的市场前景。为此我们采用模块化设计，根据客户要求，提供不同的 配置，例如：只保留滑枕体及少量的附件头对接接口功能，仅提供车削功能就可应用在 重型立式车床上。并且根据不同的附件头可将一些加工原理和工艺相近的工序集中到一 台设备上实现，这种高效的加工方式已经得到*，是未来机床发展的方向。这也使这 套滑枕的方案及设计思路可以应用到更多的案例中。
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有限元方法是将一个连续体有无限多个自由度（属于无限维空间），转化成一个有 限自由度（属于有限维空间），建立有限元方程，求其近似解。建立有限元方程大体有 三类方法：直接法：结构力学引申过来。变分法：有限元的一种形式。加权 残值法：非线性，伽辽金(galeridn)法（即，选形函数为权函数的加权残值法）属于这一 类。
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先将求解域离散为有限个单元，单元与单元只在节点相互连接；…-即原始连续求 解域用有限个单元的集合近似代替。
对每个单元选择一个简单的场函数近似表示真实场函数在其上的分布规律，该简单 函数可由单元节点上物理量来表示…-通常称为插值函数或位移函数。
基于问题的基本方程，建立单元节点的平衡方程（即单元刚度方程）。
借助于矩阵表示，把所有单元的刚度方程组合成整体的刚度方程，这是一组以节点 物理量为未知量的线性方程组，引入边界条件求解该方程组即可。
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该软件采用了有限元方法（fem)。fem是一种用于分析工程设计的数字方法。 fem由于其通用性和适合使用计算机来实现，因此已被*为标准的分析方法。fem 将模型划分为许多称作单元的简单小块形状，从而有效地用许多需要同时解决的小问题 来替代一个复杂问题。
4.2滑枕体的有限元分析
4.2.1建立滑枕体的三维模型
运用有限元分析方法的终目标是要仿真出一个实际工程系统的数学行为特征，因 此必须建立准确的数学三维模型来仿真实际的物理原型。但是，由于龙门移动式车铣加 工中心的滑枕体结构比较复杂，内部管道及安装孔等细小结构较多，由于复杂的零件三 维模型直接导入，会导致软件模型无法生成的问题，因此需对龙门移动式车铣加工中心 的滑枕体模型进行适当的优化和修改，优化的基本原则可以参考以下几点原则：
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(2)集成并优化了各种多功能附件头所需的滑枕的对接接口。使滑枕对接接口能 提供内、外冷却液供给，附件头外加动力电源供给，附件头位置传感器监控对接，附件 头冷却水循环接口等。为拓展机床的功能提供了基础。
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