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您現(xiàn)在的位置：精準回轉(zhuǎn)工作臺五軸聯(lián)動機床有限元結(jié)構(gòu)分析
航空發(fā)動機作為飛機的動力裝置，是飛機的“心臟”，按照不同的使用要求應(yīng)具有安全性、可靠、綠色、環(huán)保、長壽命、易維護等特點，因此航空發(fā)動機零件制造對加工設(shè)備要求較高，不同材料、不同結(jié)構(gòu)的發(fā)動機零件需要的加工設(shè)備不同，總體上對加工設(shè)備的要求為高精度、高剛性、高穩(wěn)定性、多功能和易維護…。隨著數(shù)字化制造技術(shù)、信息化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控深孔鉆加工機床廣泛應(yīng)用于航空制造領(lǐng)域，選擇加工航空零件的數(shù)控機床設(shè)備，首先要考慮加工零件的結(jié)構(gòu)特點、尺寸精度要求和零件材料特性。葉盤、葉片加工設(shè)備通常采用精準五軸聯(lián)動加工中心，能夠在一臺精準五軸聯(lián)動加工中心上完成葉片型面和榫頭的全部加工任務(wù)[2-31�；剞D(zhuǎn)工作臺數(shù)控五軸聯(lián)動機床是用于加工飛機發(fā)動機葉片的關(guān)鍵設(shè)備，在機床的設(shè)計過程中，有必要采用有限元分析技術(shù)對機床整體結(jié)構(gòu)進行靜態(tài)和動態(tài)性能計算，保證機床加工葉片的高精度和穩(wěn)定性。
1、有限元模型建立
根據(jù)機床各大件結(jié)構(gòu)情況，采用殼結(jié)構(gòu)(Shell model)和實體結(jié)構(gòu)(Solid model)混合建模方式建立整機的有限元模型，對機床進行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和動力學(xué)計算[410 CAE建模過程完全采用ANSYS命令流控制，這樣既可以提高計算精度，同時又能采用批處理方式處理多種分析工況，提高工作效率。立柱和底座是由薄板焊接成的結(jié)構(gòu)件，所以在有限元建模時用二維板殼單元建模；主軸頭為復(fù)雜的鑄造結(jié)構(gòu)件，采用三維實體單元處理。為提高計算精度，在需要建立位移協(xié)調(diào)關(guān)系的導(dǎo)軌接觸部位的實體部分用六面體單元劃分網(wǎng)格，圖1為參數(shù)化后的立柱殼結(jié)構(gòu)模型與有限元網(wǎng)格。
將立柱、底座、主軸頭三獨立部件在CAE環(huán)境下按照機床裝配關(guān)系進行組裝，立柱與底座、主軸頭與立柱之間的結(jié)合面采用彈性單元進行連接，滑塊和導(dǎo)軌均簡化為彈性單元，之間建立位移耦合連接關(guān)系，以此方式完成機床整體有限元模型的集成(圖2)，模擬立柱一底座、立柱一主軸頭之間結(jié)合面約束關(guān)系，實現(xiàn)作用力的準確傳遞。
ANSYS提供APDL(ANSYS Parametric Design Language)命令流編程方式編寫分析文件，借助APDL，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)快速建模、參數(shù)化批量化有限元計算；并適應(yīng)結(jié)構(gòu)的變化，通過修改其中的參數(shù)，快速生成新的結(jié)構(gòu)，之后進行網(wǎng)格劃分、加載、求解，完成結(jié)構(gòu)的再分析，通過綜合比較這些方案的分析結(jié)果，就能發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)改進的方向。如深孔鉆立柱參數(shù)可分為形狀參數(shù)和厚度參數(shù)，形狀參數(shù)定義了結(jié)構(gòu)的拓撲外觀，厚度參數(shù)用來給面單元賦值。圖3為通過參數(shù)輸入建立的3種立柱模型。
2、機床靜載荷條件下的性能分析
計算采用4種工況進行，沿x、y、z三加工方向分別施加最大推力，定義為工況l、2、3；最后三方向綜合施加最大推力，定義為工況4。應(yīng)用工況1、2、3的
計算結(jié)果，可計算出機床沿x、y、z各加工方向的剛度，由此可判斷機床各加工方向的剛性強弱，以此作為機床性能改進的一種手段，圖4為機床x向施力圖及變形。
表1的計算數(shù)據(jù)表明：X／Y／Z 3個加工方向的剛度分別為189N／um、379N／um、510N／um，可見該機床最低剛度在戈坐標方向，最高剛度在z坐標方向。若要對機床進行剛性加強，首選目標是加強X方向的剛性。
3、深孔鉆機床的模態(tài)計算
模態(tài)分析的目的是通過計算固有頻率和振型對結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考，當激振力頻率接近某一固有頻率時，結(jié)構(gòu)將發(fā)生共振。因此若激振力頻率不可改變，只有通過改變設(shè)計使結(jié)構(gòu)固有頻率避開激振頻率。
固有頻率與振型代表結(jié)構(gòu)的內(nèi)在本質(zhì)特性，計算結(jié)果與邊界條件定義有關(guān)，與外力無關(guān)陋J。為加快計算速度，一般需要對分析模型進行大量的簡化，處理過程需要豐富的分析經(jīng)驗。加工過程中機床部件之間都存在位置間的相對運動，對于某一感興趣的位置進行靜力分析時，通過對運動部件間接觸表面施加有限節(jié)點的位移耦合建立邊界條件來分析，這樣做不會影響靜力分析結(jié)果的準確性，因為靜力分析中接觸面間的相對滑動只是增加部件間的剛體位移，對變形和應(yīng)力值沒有影響。
4、主軸系統(tǒng)處于Y向不同加工位置對機床性能的影響分析
機床主軸沿高度方向處于不同的加工位置時，機床性能可能有較大差別，如表3所示。圖6為主軸沿y坐標從上往下所處的3個加工位置，從靜力和動態(tài)計算角度分析各加工位置機床性能。
可見，隨著機床加工位置的變化，機床性能指標也有很大變化。當主軸在深孔鉆床立柱底部加工時，機床動態(tài)和靜態(tài)性能最好，機床剛度是主軸處于頂部時的3倍左右，頻率值也提高很多。因此當加工葉片時盡量安排在立柱底部進行。
5、結(jié)束語
對回轉(zhuǎn)工作臺數(shù)控五軸聯(lián)動機床進行有限元分析，過程包括幾何模型簡化處理、焊接結(jié)構(gòu)零件的板殼結(jié)構(gòu)參數(shù)化、結(jié)合面約束方式等建立有限元模型關(guān)鍵技術(shù)，并對整機進行靜力學(xué)、動力學(xué)結(jié)構(gòu)計算。
(1)靜力下的剛度計算數(shù)據(jù)表明：X、Y、Z3個加工方向，最低剛度在x坐標方向，數(shù)值為189N/um；最高剛度在z坐標方向，數(shù)值為510N/um。該機床沿x方向剛度最低，若要對機床進行剛性方面加強，首選目標是加強該方向的剛性，如可采用加厚立板的方式加強剛性。
(2)模態(tài)計算結(jié)果表明，機床初階頻率為41．128Hz，振型沿立柱x方向，證明該方向為機床最低剛度方向，該結(jié)論與靜力下的計算結(jié)果完全一致。因此模態(tài)分析結(jié)果對提高機床的動態(tài)、靜態(tài)剛度均可提供有益參考。
(3)為研究主軸頭運動對機床性能的影響，分別計算了主軸頭位于立柱頂部、中部、底部3個位置時，自重下機床的變形規(guī)律。研究表明，主軸頭位于頂部時機床變形最大、剛度最低、初階固有頻率最低�？梢姡S著機床加工位置的變化，機床性能指標也有很大變化。當主軸在立柱底部加工時，機床動態(tài)和靜態(tài)性能最好，深孔鉆機床剛度是主軸處于頂部時的3倍左右，頻率值也提高很多。
1、有限元模型建立
根據(jù)機床各大件結(jié)構(gòu)情況，采用殼結(jié)構(gòu)(Shell model)和實體結(jié)構(gòu)(Solid model)混合建模方式建立整機的有限元模型，對機床進行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和動力學(xué)計算[410 CAE建模過程完全采用ANSYS命令流控制，這樣既可以提高計算精度，同時又能采用批處理方式處理多種分析工況，提高工作效率。立柱和底座是由薄板焊接成的結(jié)構(gòu)件，所以在有限元建模時用二維板殼單元建模；主軸頭為復(fù)雜的鑄造結(jié)構(gòu)件，采用三維實體單元處理。為提高計算精度，在需要建立位移協(xié)調(diào)關(guān)系的導(dǎo)軌接觸部位的實體部分用六面體單元劃分網(wǎng)格，圖1為參數(shù)化后的立柱殼結(jié)構(gòu)模型與有限元網(wǎng)格。
ANSYS提供APDL(ANSYS Parametric Design Language)命令流編程方式編寫分析文件，借助APDL，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)快速建模、參數(shù)化批量化有限元計算；并適應(yīng)結(jié)構(gòu)的變化，通過修改其中的參數(shù)，快速生成新的結(jié)構(gòu)，之后進行網(wǎng)格劃分、加載、求解，完成結(jié)構(gòu)的再分析，通過綜合比較這些方案的分析結(jié)果，就能發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)改進的方向。如深孔鉆立柱參數(shù)可分為形狀參數(shù)和厚度參數(shù)，形狀參數(shù)定義了結(jié)構(gòu)的拓撲外觀，厚度參數(shù)用來給面單元賦值。圖3為通過參數(shù)輸入建立的3種立柱模型。
2、機床靜載荷條件下的性能分析
計算采用4種工況進行，沿x、y、z三加工方向分別施加最大推力，定義為工況l、2、3；最后三方向綜合施加最大推力，定義為工況4。應(yīng)用工況1、2、3的
計算結(jié)果，可計算出機床沿x、y、z各加工方向的剛度，由此可判斷機床各加工方向的剛性強弱，以此作為機床性能改進的一種手段，圖4為機床x向施力圖及變形。
表1的計算數(shù)據(jù)表明：X／Y／Z 3個加工方向的剛度分別為189N／um、379N／um、510N／um，可見該機床最低剛度在戈坐標方向，最高剛度在z坐標方向。若要對機床進行剛性加強，首選目標是加強X方向的剛性。
模態(tài)分析的目的是通過計算固有頻率和振型對結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考，當激振力頻率接近某一固有頻率時，結(jié)構(gòu)將發(fā)生共振。因此若激振力頻率不可改變，只有通過改變設(shè)計使結(jié)構(gòu)固有頻率避開激振頻率。
固有頻率與振型代表結(jié)構(gòu)的內(nèi)在本質(zhì)特性，計算結(jié)果與邊界條件定義有關(guān)，與外力無關(guān)陋J。為加快計算速度，一般需要對分析模型進行大量的簡化，處理過程需要豐富的分析經(jīng)驗。加工過程中機床部件之間都存在位置間的相對運動，對于某一感興趣的位置進行靜力分析時，通過對運動部件間接觸表面施加有限節(jié)點的位移耦合建立邊界條件來分析，這樣做不會影響靜力分析結(jié)果的準確性，因為靜力分析中接觸面間的相對滑動只是增加部件間的剛體位移，對變形和應(yīng)力值沒有影響。
4、主軸系統(tǒng)處于Y向不同加工位置對機床性能的影響分析
機床主軸沿高度方向處于不同的加工位置時，機床性能可能有較大差別，如表3所示。圖6為主軸沿y坐標從上往下所處的3個加工位置，從靜力和動態(tài)計算角度分析各加工位置機床性能。
可見，隨著機床加工位置的變化，機床性能指標也有很大變化。當主軸在深孔鉆床立柱底部加工時，機床動態(tài)和靜態(tài)性能最好，機床剛度是主軸處于頂部時的3倍左右，頻率值也提高很多。因此當加工葉片時盡量安排在立柱底部進行。
對回轉(zhuǎn)工作臺數(shù)控五軸聯(lián)動機床進行有限元分析，過程包括幾何模型簡化處理、焊接結(jié)構(gòu)零件的板殼結(jié)構(gòu)參數(shù)化、結(jié)合面約束方式等建立有限元模型關(guān)鍵技術(shù)，并對整機進行靜力學(xué)、動力學(xué)結(jié)構(gòu)計算。
(1)靜力下的剛度計算數(shù)據(jù)表明：X、Y、Z3個加工方向，最低剛度在x坐標方向，數(shù)值為189N/um；最高剛度在z坐標方向，數(shù)值為510N/um。該機床沿x方向剛度最低，若要對機床進行剛性方面加強，首選目標是加強該方向的剛性，如可采用加厚立板的方式加強剛性。
(2)模態(tài)計算結(jié)果表明，機床初階頻率為41．128Hz，振型沿立柱x方向，證明該方向為機床最低剛度方向，該結(jié)論與靜力下的計算結(jié)果完全一致。因此模態(tài)分析結(jié)果對提高機床的動態(tài)、靜態(tài)剛度均可提供有益參考。
(3)為研究主軸頭運動對機床性能的影響，分別計算了主軸頭位于立柱頂部、中部、底部3個位置時，自重下機床的變形規(guī)律。研究表明，主軸頭位于頂部時機床變形最大、剛度最低、初階固有頻率最低�？梢姡S著機床加工位置的變化，機床性能指標也有很大變化。當主軸在立柱底部加工時，機床動態(tài)和靜態(tài)性能最好，深孔鉆機床剛度是主軸處于頂部時的3倍左右，頻率值也提高很多。
