基于ANSYS的普通车床床身有限元结构分析

平华丽 郭旭红

（1.苏州大学机电工程学院，江苏 苏州 215021；2.苏州工业园区工业技术学校，江苏 苏州 215021）

0 引言

机床制造技术的主要长期目标一直是着眼于提高生产率和加工质量。但近几年，随着人们环保意识的增强以及自然资源的日趋紧缺，生产过程中对能源、资源的有效利用，减少污染等在机床的设计理念中扮演着越来越重要的角色。因此，很多国内外专家一直在进行机床的优化研究，从而不断对机床进行优化设计，以达到节省材料、降低能耗和减轻环境污染的目的。文献［1］提出了3种铸铁床身优化设计方案，通过采用最优化设计的理论体系和方法进行综合比较后，得出圆通孔型筋板床身为较好的设计方案，并对材料进行了优化。文献［2］利用有限元分析软件对立柱进行分析和结构优化，通过改变床身肋板的结构来进行优化设计。文献［3］通过对床身的动态特性分析，将焊接床身结构改为铸造结构，达到减轻结构重量的目的。本文以CA6140普通车床为研究对象，采用有限元分析软件ANSYS进行静力分析和模态分析，得到床身的分析结果，从而可以据此结果进行床身的优化，适当调整床身结构，达到轻量化的目的。

1 床身实体模型和有限元模型的建立

要对床身进行静力分析和模态分析，首先需为床身建立实体模型，本研究采用三维软件CATIA进行实体模型绘制。CA6140床身是先整体铸造后进行加工而成，床身材料为HT300，详细信息如下：材料名称为HT300，密度为7 300 kg／m3，泊松比为0.25，杨氏弹性模量为1.3×105N／mm2。

利用CATIA建立普通车床CA6140床身的三维模型后，将模型导入ANSYS中进行分析，并采用自由划分方式对床身模型进行网格划分，输入上述床身相关参数，设定网格划分精度为6，得到网格模型。

2 床身静力分析

CA6140床身主要起支撑机床的作用，应具有良好的刚性、热稳定性以及抗震性。本研究不考虑床身受到的地基的影响，只对床身承受的外载荷以及工作产生的附加力进行研究。在实际使用中，CA6140普通车床主要是用来进行车削加工，因此下面着重对CA6140普通车床在车削加工下所受的切削力进行分析计算。

床身在工作时，除了受到切削力，还要考虑床身的自重以及与之相连的床头箱、尾座、床鞍、刀架和工件等的重力，这些外载荷对床身的变形也起到很大的作用。现通过分析以及经验计算得到床身上的外载荷为20 000 N。

受力分析后，要对床身施加约束与载荷。在本研究中，对有限元模型施加约束时将床身底部进行全约束。施加约束后，将载荷施加到床身面上，通过ANSYS求解器对有限元模型进行分析计算，求解完成后进入后处理器观察床身车削时有限元模型的应力云图，如图1所示。

图1 车削时床身的应力云图

从图1可知，床身的应力值在5 MPa以下，最大为4.12 MPa。最大的应力值产生在床身左端的下部。本研究中床身材料为HT300，其抗拉强度为300 MPa，远大于床身的最大应力值，可知从应力角度分析，材料有很强的抗破坏能力。应用强度理论进行校核，床身满足强度要求，并且可对其进一步优化。

对床身进行分析时，不仅要进行如上所述的强度分析，还要进行刚度分析，即分析床身在受力时抵抗弹性变形的能力。图2为车削时的位移分布云图。

图2 车削时位移分布云图

由图2可知，床身在进行车削时最大变形量为0.003 97 mm，发生在床身的床头箱部位。

3 床身结构模态分析

在对CA6140床身的研究中，首先进行了静力分析，而对于机床这个整体来说，还需考虑其机械结构的固有频率，分析机床的动态特性以及振动对机床加工精度的影响。对普通车床CA6140的床身而言，模态分析主要集中在低阶模态分析上，运用兰索斯法提取床身的前6阶模态，可得到床身的固有频率和振型。床身的前6阶固有频率如表1所示。

表1 床身前6阶固有频率 单位：Hz

床身的前6阶振型如图3～图8所示。

图3 床身第1阶振型图

图4 床身第2阶振型图

图5 床身第3阶振型图

图6 床身第4阶振型图

图7 床身第5阶振型图

图8 床身第6阶振型图

从以上6阶的固有频率和振型图可知，床身固有频率均比较高，说明床身结构的动刚度较好。床身两侧面板未有明显变形，可适当调整两侧面板厚度，在满足机床性能的情况下减轻机床重量，达到优化的目的。

4 结语

本文利用三维软件CATIA为普通车床CA6140建立实体模型，并导入有限元软件ANSYS中进行静力分析和模态分析，发现床身两侧面板未有明显变形，在满足床身动静态指标以及刚度的前提下，可进行适当调整，减小两侧面板厚度，从而保证在满足机床性能的前提下减轻机床重量，达到轻量化的目的，并可为后续进行床身结构优化提供依据。

［1］林天清.数控车床床身结构动态分析与优化研究［D］.昆明理工大学，2009

［2］杨永亮.基于有限元的车床床身结构优化［D］.大连理工大学，2006

［3］吴良宝.CK1440型数控车床床身动态特性分析与结构改进［D］.南京理工大学，2011