m7475b平面磨床立柱结构ansys有限元分析本科毕业论文(编辑修改稿)

m7475b平面磨床立柱结构ansys有限元分析本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

为32Hz, 机动 进给驱动电机引起的振动频率为 47Hz。 本章小结 本章针对 M7475B 平面磨床采用立轴圆台端面磨的特点，分别近似模拟出立柱所受磨削力的示意图，并查阅相关文献计算出磨削力的大小。 在这里有一点需要说明的是，在本课题中法向磨削力的方向近似与立柱结构的对称中心相平行，而在实际加工情况下法向磨削力的方向是与立柱对称中心偏离一个微小角度的。 这样做是为了简化计算，并且简化对于结果影响不大。 第三章 立柱结构有限元模型的建立 PRO/E 与 ANSYS 的连接 ANSYS 软件提供了与大多数 CAD 软件进行数据共享和交换的图形接口 ,ANSYS 自带的图形接口能识别 IGES、 ParaSolid、 CATIA、 Pro/E、 UG 等标准的文件，使用这些接口转换模型的方法很简单 ,只要在 CAD 中将建好的模型使用另存为或者导出命令 ,保存为 ANSYS 能识别的标准图形文件 ,通常使用的有 IGES 和 ParaSolid 文件，在 ANSYS 中使用 FileImport 导入模型 ,然后进行模型拓扑结构修改。 对于 CATIA 和 Pro/E 等 CAD 软件 ,ANSYS 能直接识别它们的文件 ,不需要另存其他格式的文件。 使 用这些图形接口虽然快速方便 ,但是往往会出现很多问题 ,甚至会发生不能识别的问题。 例如 IGES 文件是 ISO 标准中规定的标准图形交换格式之一 ,IGES 作为一种表达产品数据并将其转换成中性文件格式的行业标准 ,实现文件之间的交换具有很大的优势 ,但是 ANSYS对 IGES 的支持不够 ,在导入 IGES 文件的时候 ,无法识别小的几何元素 ,造成所生成拓扑结构不连续 ,无法生成实体 ,导入的模型只是由一些面组成，而且 ,ANSYS 读入 IGES 所需的时间很长。 ANSYS软件为了扩充与其他 CAD软件之间的接口的功能 ,开发设置了 ANSYS与 Pro/E 的 连 接 模 块 ,安 装 的 时 候 必 须 选 择 ANSYS Connection For Pro/ENGINEER 模块 (代号 82)，这个模块的功能就是将 Pro/E 里面的模型生成ANSYS的命令流文件 ,这个命令流文件的扩展名是 anf,ANSYS 读入 anf 文件后 ,即可自动将模型建好 ,而且这样建立的模型几乎没有误差。 立柱结构建模方法 利用 Pro/ENGINEER 三维建模软件建立模型如下： 立柱有限元模型 由于磨床在工作 的过程中 ,工作状况比较复杂 ,受多方面因素的影响 ,所以进行有限元分析时 ,为简化计算 ,需要假设认定磨床材料是各向同性材料 ,密度均匀分布 ,在工作过程中始终处于弹性阶段，并且假定位移和变形都是微小的[12]。 磨床立柱结构模型相对复杂，在导入 ANSYS 进行分析前需要对模型进行相应的简化，如去除相应圆倒角、凸台、螺钉孔、销孔、圆角以及退刀槽等对分析结果影响不大的细节结构 [13]，在本课题中根据实际情况去除了大部分的圆倒角，这样可以简化电脑运算时间，并且对有限元分析结果影响甚微。 有限元模型的生成 如下图 : 本 章小结 本 课题采用三维 CAD软件 Pro/ENGINEER 对 M7475B 型磨床立柱结构进行建模 ， 并将三维模型导入 ANSYS 有限元分析软件以实现数据的共享和交换，生成有限元模型。 第四章 立柱结构有限元静力学分析 有限元方法简介 有限元方法是用于求解工程中各类问题的数值方法。 结构强度、刚度分析中的静力、线性或者非线性问题，热传导中稳态、瞬态或者热应力问题，以及流体力学和电磁学中的很多问题都可以用有限元方法解决。 有限元方法的基本步骤 如下 : (1) 将实际求解范围 离散化，即将求解域划分成节点和单元。 (2) 选择合适的形函数，即选择一个用单元节点解描述整个单元解的连续函数。 (3) 对每个单元建立单元刚度矩阵。 (4) 按照一定节点编码顺序，将各个单元刚度矩阵叠加以构造结构整体刚度矩阵。 (5) 写出以节点自由度（ DOF）为未知量的结构整体刚度方程，并将边界条件、初始条件应用到方程中。 (6) 求解步骤（ 5）中得到的方程组，以得到节点上的自由度值。 (7) 根据节点的值和形函数，得到其他的物理量。 例如，应力、支座反力、弯矩图、热流量等。 ANSYS 软件简介 ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分 析于一体的大型通用有限元分析软件。 由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发，它能与多数 CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－ DEAS, AutoCAD 等， 是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一。 ANSYS 的组成及主要技术特点 : 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非 线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理 场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 软件提供了 100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 ANSYS 结构分析过程 有限元分析的一般流程为： （ 1）从三维实体建模模块进入有限元分析 模块。 （ 2）在实体上施加约束。 （ 3）在实体上施加载荷。 （ 4）计算（包括网格自动划分），解方程和生成应力应变结果。 （ 5）分析计算结果，单元网格、应力或变形显示。 （ 6）对关心的区域细化网格、重新计算。 立柱结构的 ANSYS 结构刚度分析 定义单元类型 由于磨床立柱模型比较复杂， 不宜简化为板、壳单元的有限元模型 ,需要采用三维实体单元对磨床结构进行网格划分。 本课题中采用软件提供的solid92 单元进行网格划分。 该单元为 10 节点四面体结构 线性单元 ,每个节点有沿 X 、 Y 和 Z 方向的三个平 移自由度 , 并且单元有可塑性、蠕动、膨胀、应力钢化 , 大变形 , 和大张力的能力，如图 41。 定义材料属性 M7475B 磨床立柱采用材料 HT300，材料详细信息如下 表 表 41 15 结构刚度分析所需 材料 属性 信息 材料名称 杨氏弹性模量 EX 泊松比 PRXY HT300 10 N/ 2m 图 41 SOLID92 几何模型 网格划分 由于磨床立柱结构比较复杂 ,建模的时候出现了很多小线段 ,采用智能网格划分时容易在不重要的局部结构上产生过多的单元，而采用整体控制单元尺寸的自由网格划分方法 ,单元的数目可明显减少，这样就简化了计算机进行分析计算的时间。 因此 ,进行网格划分时 ,合理选择整体单元尺寸为 80mm,采用自由网格划分 ,最后得到的平面磨床整体结构的有限元模型如图 42 所示。 图 42 立柱有限元模型网格划分图 施加约束 因立轴圆台平面磨床磨削工件分粗磨和精磨两种。 粗磨时，为提高磨削效率，可将砂轮轴在垂直平面内旋转一个角度，即用倾斜的砂轮端面磨削； 精磨时，必须用水平砂轮磨削。 为适应砂轮主轴的旋转角度，本机床采用立柱三点调整装置，即在立柱与床身的结合处安装三套螺钉调整装置，每套相隔距离一致。 所以本课题中在三个螺钉调整装置孔的圆柱面上施加约束，定义 ALL DOF值为 0 ，约束后的结果如图 43 所示。 图 43 施加约束后立柱有限元模型 施加载荷 立柱主要承受砂轮架重力、磨削力以及重力和磨削力所带给它的弯矩，将重力以及磨削力以均布力的形式施加到立柱上，并且将弯矩简化成力偶矩，选择合适的力臂，经计算得出力偶中力的大小， 同时为了避免单个 力施加在单个节点上可能引起的应力集中，将力偶简化成均布力施加在多个节点上， 如此对立柱进行载荷的施加，结果如图 44 所示。 图 44 施加载荷后立柱有限元模型 计算结果 进入求解器 Main Menu Solution Solve Current LS。 求解完成后，进入通用后处理器观察计算结果。 床身变形如图 4 4 4 48 所示。 图 45 X 方向位移变形云图 图 46 Y 方向位移变形云图 图 47 Z 方向位移变形云图 图 48 立柱 总 位移云图 从位移云图中可以看出，立柱导轨 位移最大， 且导轨右半部分有明显 位移 ，达到 毫米，这与磨床电磁工作台的转向相符合。 图 49 X 方向应力云图 图 410 Y 方向应力云图 图 411 Z 方向应力云图 图 412 立柱总应力云图 从 应力云图（ 图 4 4 41 412）来看，该型 号磨床立柱 受载后平均应力不高， 基本 不会形成应力集中，总体来说满足强度要求。 本章小结 本章对 M7475B 平面磨床的立柱结构进行了静力学分析，综合分析结果，需要注意以下几点： （ 1）磨床立柱结构在静载下的变形量都比较小 ,最大变形量在 左右 ； （ 2）在实际应用中， M7475B 平面磨床立柱的受力情况随加工工件的不同而不同，本课题只考虑了加工铸铁工件时的受力情况，对于加。