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超重型數控龍門移動鏜銑床橫梁的有限元分析與結構優化

在有限元仿d真過程中，考慮橫梁、溜板、滑枕式鏜銑頭等的重力對橫梁體的影響。在橫梁中部施加垂直方向的載荷，模擬滑枕式鏜銑頭等移到橫梁中部時的受力情況。跟著機械化進程不斷加劇，數控編程開始廣泛應用與于機床類操縱，極大的開釋了勞動力。例如根據橫梁、溜板、滑枕式鏜銑頭等橫梁部件三維模型的裝配位置，在質心上的 0D 集中質量單元上添加橫梁、溜板、滑枕式鏜銑頭等橫梁部件的集中質量30 t 的重量，并對橫梁體模型空間施加重力加速度:9． 81 m / s2。橫梁體有限元分析中約束結果如圖7 所示。

文獻［7］基于有限元分析方法預估彈性橫梁靜態承載曲線，進而得到橫梁起拱曲線，并通過實驗對起拱曲線進行驗證。

文獻［8］通過對龍門加工中心橫梁關鍵尺寸的靈敏度分析，找出了對橫梁靜變形量和一階頻率影響較大的尺寸變量，上下壁厚是橫梁結構靜變形量靈敏度大的尺寸，縱向筋板是橫梁結構一階固有頻率靈敏度大的尺寸; 以橫梁靜變形量和一階模態頻率為性能指標，結合靈敏度分析結果，采用變尺寸法對橫梁進行結構優化分析，提高了橫梁的靜動態特性，并降低了橫梁的重量。采用10節點四面體有限單元網格對橫梁體有限元模型進行網格劃分，劃分結果為:橫梁部件中的單元數目為328149，節點數目為397719。

文獻［9］中數控龍門機床 8 m 長的橫梁材料采用高強度低合金結構鋼 Q345B，采用焊接工藝加工。利用 ANSYS Workbench 對機床橫梁進行了靜動態有限元分析，在此基礎上進行了拓撲優化設計，并且制造出機床。

文獻［4］中數控機床尤其是銑床，橫梁是很關鍵的結構，其設計水平的好壞直接影響整個機床性能。對于橫梁的優化主要從兩方面考慮: ①在不增加質量的前提下，使橫梁上的大變形極小化，提高橫梁的靜剛度; ②優化中初階固有頻率不小于設定值，提高橫梁的動剛度。除橫梁本身的重量外，還要考慮溜板、滑枕式鏜銑頭等移動部件從橫梁一端移動到中部時重力引起橫梁的變形。優化的具體實施步驟如下: 首先，通過形狀及拓撲優化確定橫梁佳的截面輪廓和肋板布置方案，得到概念模型; 其次，通過尺寸優化確定合理的外形尺寸和肋板厚度。CAE 軟件優化模塊可以定義多個設計變量和狀態變量，設計變量為自變量，狀態變量和目標函數都是設計變量的函數。如橫梁結構的長、寬、高尺寸以及筋板厚度等定義為設計變量，橫梁結構變形和應力隨設計變量的變化而變化，是設計變量的函數，可以定義為狀態變量，使結構重量極小化定義為目標函數。