技術鄰用戶：delirious0571

    摘要

    隨著制造業的發展，現代工業對數控機床研發在時間成本、加工精度等方面提出了更高的要求。整機模態分析一直是評估機床動態性能及其優化設計的基礎。隨著SimSolid商用軟件的推出，無網格技術可以被運用于結構性能分析，結果表明，運用SimSolid軟件仿真分析不再需要繁瑣的網格劃分或定義復雜的零部件連接方式，顯著縮短了產品的研發周期，為研發人員提供了有效的技術支持。

    研究對象

     本文以某型號立式加工中心整機為研究對象，探究SimSolid軟件在機床整機模態分析中的應用。該模型為定柱式立式加工中心，主要包括床身、立柱、工作臺、滑鞍、滑板箱及主軸箱。如圖1所示，立柱固定在床身上，滑鞍帶動滑板箱及主軸箱在立柱上做前后方向（Y方向）運動，滑板箱在滑鞍上做左右方向（X方向）運動，主軸箱在滑板箱上做上下方向（Z方向）運動。

 

 

                                                                          圖1 立式加工中心三維模型 

    模型建立

    運用Solidworks三維建模軟件對加工中心零部件建模并裝配整機，導入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）

    在整機模型導入后，SimSolid軟件會自動對各部件間的連接進行定義。對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，同時對各大部件間的螺栓的連接進行定義。

 

                                                                         圖3 連接定義二（滑鞍-絲杠螺母）

 

                                                                         圖4 連接定義三（滑塊-導軌）

 

                                                                         圖5 過度連接

    值得注意的是，由于容差的設置，模型在導入后會出現過度連接現象，即距離相近的接觸面會被識別為接觸面，如圖5所示，需要人為進行刪除。在完成對整機各部件間連接方式的定義后，對各部件賦予材料屬性，并對墊鐵的底面設置固定約束，對整機進行固有模態分析。

 

                                                                         圖6 連接定義四（墊鐵-地面）

    求解與分析

    為了驗證無網格技術在求解精度上的可靠性，我們將SimSolid分析結果與運用傳統有限元法進行模態分析的整機結果進行對比，如表1所示。可以看到，基于有限元法的整機模態分析與基于無網格法的整機模態分析在數值上仍然存在一定的差異性，差異率在20%以內，但是考慮到在運用有限元法進行分析時，為了確保網格質量，常對結構體進行特征簡化如去除半徑較小的圓角等，對于加工中心整機這樣的復雜裝配體而言，特征簡化必定會造成結構體的性能變化，因此，基于無網格法的模態分析結果依然具有一定的準確性與價值。

                                                                         表1 整機模態分析固有頻率對比

性能對比	有限元法	無網格法	差異率
一階	88.86	105.67	+ 18.92%
二階	100.35	118.44	+ 18.03%
三階	150.18	179.99	+ 19.85%

    圖7為一階模態，振型主要表現為主軸箱與滑板箱在X軸方向上的前后移動，振型最大處發生在主軸箱頭部；二階模態如圖8所示，主要為立柱上各部件在Y軸方向上的左右移動。在三階模態中，主軸箱與滑板箱在Z軸方向上的上下移動明顯，同時床身等在X軸方向上也有前后移動發生。可以看到，分析結果中立式加工中心的前三階固有模態振型與運用傳統有限元法的模態分析所獲得的振型具有一致性，驗證了SimSolid無網格分析技術的有效性。

 

                                                                         圖7 立式加工中心整機一階模態

 

                                                                         圖8 立式加工中心整機二階模態

 

                                                                         圖9 立式加工中心整機三階模態

 

    結論

    運用SimSolid軟件對立式加工中心整機進行模態分析，無需對結構體特征進行簡化，避免了繁瑣的網格劃分，同時在裝配體導入后自動定義各部件間的連接方式能夠免除絕大部分復雜連接操作，大大縮減了前處理階段的時間成本。SimSolid軟件的求解速度相對于基于傳統有限元法的CAE軟件具有極大的優勢，對比基于有限元法的分析，結果仍然具有準確性，為機械行業新產品的研發與優化提供了有效的技術支持。

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