基于SimSolid的立式加工中心整機(jī)模態(tài)分析

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摘要：隨著制造業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床研發(fā)在時(shí)間成本、加工精度等方面提出了更高的要求。整機(jī)模態(tài)分析一直是評(píng)估機(jī)床動(dòng)態(tài)性能及其優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。隨著SimSolid商用軟件的推出，無(wú)網(wǎng)格技術(shù)可以被運(yùn)用于結(jié)構(gòu)性能分析，結(jié)果表明，運(yùn)用SimSolid軟件仿真分析不再需要繁瑣的網(wǎng)格劃分或定義復(fù)雜的零部件連接方式，顯著縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，為研發(fā)人員提供了有效的技術(shù)支持。

1. 研究對(duì)象

      本文以某型號(hào)立式加工中心整機(jī)為研究對(duì)象，探究SimSolid軟件在機(jī)床整機(jī)模態(tài)分析中的應(yīng)用。該型號(hào)為定柱式立式加工中心，主要包括床身、立柱、工作臺(tái)、滑鞍、滑板箱及主軸箱。如圖1所示，立柱固定在床身上，滑鞍帶動(dòng)滑板箱及主軸箱在立柱上做前后方向（Y方向）運(yùn)動(dòng)，滑板箱在滑鞍上做左右方向（X方向）運(yùn)動(dòng)，主軸箱在滑板箱上做上下方向（Z方向）運(yùn)動(dòng)。

   

   圖1 立式加工中心三維模型

2. 模型建立

      運(yùn)用Solidworks三維建模軟件對(duì)加工中心零部件建模并裝配整機(jī)，導(dǎo)入SimSolid軟件中，定義各部件間的連接方式。本次分析中的人為定義連接主要為各主要部件間的螺栓連接、各部件間接觸面的摩擦分離連接等。

    

   圖2 連接定義一（立柱-床身）

   在整機(jī)模型導(dǎo)入后，SimSolid軟件會(huì)自動(dòng)對(duì)各部件間的連接進(jìn)行定義。對(duì)立柱與床身接觸面等更改連接方式，選用摩擦分離連接方式，同時(shí)對(duì)各大部件間的螺栓的連接進(jìn)行定義。

    

   圖3 連接定義二（滑鞍-絲杠螺母）

    

   圖4 連接定義三（滑塊-導(dǎo)軌）

    

   圖5 過度連接

   值得注意的是，由于容差的設(shè)置，模型在導(dǎo)入后會(huì)出現(xiàn)過度連接現(xiàn)象，即距離相近的接觸面會(huì)被識(shí)別為接觸面，如圖5所示，需要人為進(jìn)行刪除。在完成對(duì)整機(jī)各部件間連接方式的定義后，對(duì)各部件賦予材料屬性，并對(duì)墊鐵的底面設(shè)置固定約束，對(duì)整機(jī)進(jìn)行固有模態(tài)分析。

    

   圖6 連接定義四（墊鐵-地面）

3. 求解與分析

   為了驗(yàn)證無(wú)網(wǎng)格技術(shù)在求解精度上的可靠性，我們將SimSolid分析結(jié)果與運(yùn)用傳統(tǒng)有限元法進(jìn)行模態(tài)分析的整機(jī)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。可以看到，基于有限元法的整機(jī)模態(tài)分析與基于無(wú)網(wǎng)格法的整機(jī)模態(tài)分析在數(shù)值上仍然存在一定的差異性，差異率在20%以內(nèi)，但是考慮到在運(yùn)用有限元法進(jìn)行分析時(shí)，為了確保網(wǎng)格質(zhì)量，常對(duì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行特征簡(jiǎn)化如去除半徑較小的圓角等，對(duì)于加工中心整機(jī)這樣的復(fù)雜裝配體而言，特征簡(jiǎn)化必定會(huì)造成結(jié)構(gòu)體的性能變化，因此，基于無(wú)網(wǎng)格法的模態(tài)分析結(jié)果依然具有一定的準(zhǔn)確性與價(jià)值。

   表1 整機(jī)模態(tài)分析固有頻率對(duì)比

圖7為一階模態(tài)，振型主要表現(xiàn)為主軸箱與滑板箱在X軸方向上的前后移動(dòng)，振型最大處發(fā)生在主軸箱頭部；二階模態(tài)如圖8所示，主要為立柱上各部件在Y軸方向上的左右移動(dòng)。在三階模態(tài)中，主軸箱與滑板箱在Z軸方向上的上下移動(dòng)明顯，同時(shí)床身等在X軸方向上也有前后移動(dòng)發(fā)生。可以看到，分析結(jié)果中立式加工中心的前三階固有模態(tài)振型與運(yùn)用傳統(tǒng)有限元法的模態(tài)分析所獲得的振型具有一致性，驗(yàn)證了SimSolid無(wú)網(wǎng)格分析技術(shù)的有效性。

圖7 立式加工中心整機(jī)一階模態(tài)

圖8 立式加工中心整機(jī)二階模態(tài)

圖9 立式加工中心整機(jī)三階模態(tài)

1. 結(jié)論

       運(yùn)用SimSolid軟件對(duì)立式加工中心整機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，無(wú)需對(duì)結(jié)構(gòu)體特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，避免了繁瑣的網(wǎng)格劃分，同時(shí)在裝配體導(dǎo)入后自動(dòng)定義各部件間的連接方式能夠免除絕大部分復(fù)雜連接操作，大大縮減了前處理階段的時(shí)間成本。SimSolid軟件的求解速度相對(duì)于基于傳統(tǒng)有限元法的CAE軟件具有極大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)比基于有限元法的分析，結(jié)果仍然具有準(zhǔn)確性，為機(jī)械行業(yè)新產(chǎn)品的研發(fā)與優(yōu)化提供了有效的技術(shù)支持。