基于有限元的结合面建模方法及应用

• 作 者: 郭东亮
• 机 构: 北京工业大学
• 出 处: 北京工业大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 结合面建模 有限元 动态特性分析 重型数控龙门机床

重型数控龙门机床是电力、航空航天、大型船舶等行业必备的核心制造设备，支撑着国家重点工程和国防军工建设。机床的动静态特性是决定其加工精度的重要因素，在机床设计时必须予以考虑。机床动静态特性除受其结构本身的影响外，还更多地受到机床各个关键部件间结合面的影响。因此，要提高机床整机性能，必须实现对结合面的准确建模。　　
本文基于有限元分析软件ANSYS，提出了一种利用MATRIX27单元对结合面动静态特性进行建模的方法。MATRIX27单元是12×12维可定制的空间梁单元，该单元能够定义为刚度矩阵，也可以定义为阻尼矩阵。在结合面的有限元建模过程中，将两个接触面网格节点划分成——对应，再对应节点处采用MATRIX27单元连接。通过修改MATRIX27单元的刚度参数和阻尼参数，可以将结合面的动静力学属性耦合到整体有限元模型中。为了验证该方法的可行性，对小型栓接结合面试件进行建模，并利用由实验数据辨识得到的结合面动态特性参数，对结合面试件进行分析，实验结果与分析结果吻合较好。此外，对某重型龙门铣床关键部件组合三段式横梁及高强栓接结合面进行建模，探索了结合面的存在对其结构动态特性的影响，以及三段式横梁法向刚度对其模态频率的影响。　　
由于采用MATRIX27单元，结合面的动静力学性能耦合模型并未增加整机模型的自由度，且求解方法也与通用的有限元分析过程一致，使得大型机床结合面耦合模型求解变得可能。本文对某重型龙门铣床及其结合面进行了建模，机床结合面动力学参数由基础实验试件辨识得到，并进行模态仿真计算。采用LMS模态测试分析系统对机床整机进行模态测试，获取其各阶固有频率、振型及相应的频率响应曲线，计算结果与测试结果吻合较好。同时，对机床由停机造成的X向惯性加速度进行逆向辨识研究，确定多个关键结合面的X向刚度，并由此仿真得到与测试结果相近的铣头点头量，以及机床滑座内侧变型曲线。最后对该机床静压转台的油垫结合面进行建模，分析整个转台的动力学特点，并通过实验验证了分析结果的准确性。　　
通过对机床结合面的建模，动静态特性分析及仿真，证明本文所提出的结合面有限元建模方法是可行的。该方法的提出不仅实现了现有机床动静态特性的验证，同时也实现了新机床设计时的动静态特性预测。对提高重型高档数控龙门机床设计技术，具有显著的社会效益、经济效益和迫切的现实意义。