大型机床结构有限元分析

论文摘要

目前国内机床行业,在机床结构设计的时候,存在结构不合理、处理工艺不理想、加工规模不够大等问题,制约了整体工业水平的提升；而有限元理论和有限元软件的应用,为解决这些问题、促进机床行业向着大型化和高质量化发展提供了有力的支持。本文以国内某机床厂研制生产的高性能辊式矫平机为研究对象,采用有限元整体建模的方法,运用静力学和动力学理论,并采用振动时效技术和盲孔法实验技术,对该机床结构及处理工艺进行了研究,为掌握机床工作状态下应力情况、优化机床结构和确定机床的处理工艺提供了依据。文章采用整体建模的方式,建立了三个有限元模型。第一个模型是包含接触非线性的矫平机整体结构模型,主要用于分析极限工作载荷情况下矫平机整体结构和局部关键部位的应力、变形情况；第二个模型是平板模拟模型,用于分析此类结构的模态特性和激振条件下的振动时效效果,与第三个模型进行对比；第三个模型是矫平机床身模型,主要用于分析机床结构的模态,进而分析激振情况下动应力水平,判定振动时效对该结构的作用效果。运用静力学理论、模态分析理论、谐响应分析理论和振动时效相关理论对模型的就算和分析,本文的主要结论如下：1,采用静力学理论,对机床整体结构强度和刚度进行了分析。经过研究发现该机床结构在极限荷载下整体应力水平比较合理,不过仍有进一步改进的余地。对结构进行结构优化以后,结构应力和变形水平可以进一步改善。2,采用静力学理论和接触理论,对机床的主要受力结构——键进行了局部应力分析,找出此类结构的受力特点。分析结果表明键和键槽的区域的应力情况比较合理、局部变形很小。同时经过研究发现局部结构问题会造成该结构特殊位置的应力水平偏高,应该对局部进行改进以均化键的应力水平、降低局部过高的应力。3,采用模态理论对机床床身和对比的平板模拟结构进行模态分析,找出两种不同结构的模态特点。研究发现床身的模态样式比较多,有局部模态和整体模态；同时振型情况复杂、难以选取理想的激振点和支撑点。相对比而言平板模拟结构的振型简单,激振点和支撑点更容易选取。4,运用谐响应理论对床身和平板模拟结构进行谐响应分析,得到两种结构在激振条件下的动应力水平。通过分析两种结构的动应力分布发现,平板模拟结构非常适合采用振动时效消除残余应力；而对于床身结构来说,振动时效消除焊接残余应力的效果不理想。5,使用盲孔法技术对床身结构进行残余应力测试,测试结构表明该结构在振动时效前后焊接残余应力水平并没有明显的变化。从而通过有限元模拟和实验分别验证了床身这类的箱式构件并不适合振动时效技术消除焊接残余应力,硬选用其他时效方式。研究表明只要合理建模,大型机床结构可以通过有限元软件进行整体分析,通过分析可以获得机床结构的应力、应变和变形等静力学特性和模态、动应力等动力学特性。通过这种方法对机床结构进行更深入的研究,有利于改善机机床的受力和变形情况,提高加工能力,为选取合理的机床处理工艺提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 机床结构设计和分析的研究现状
• 1.2.1 传统力学理论分析
• 1.2.2 自编程仿真分析
• 1.2.3 大型商业有限元软件分析
• 1.3 焊接残余应力
• 1.3.1 焊接残余应力的产生
• 1.3.2 焊接残余应力的检测
• 1.3.3 焊接残余应力的危害和消除方法
• 1.4 振动时效技术
• 1.4.1 振动时效的机理
• 1.4.2 振动时效效果的评定
• 1.4.3 振动时效消除残余应力的研究现状
• 1.4.4 振动时效的优势和不足
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 矫平机结构分析的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 有限元基本理论
• 2.2.1 有限元方法的基本思想
• 2.2.2 有限元基本理论及解题步骤
• 2.2.3 弹性接触有限元理论
• 2.3 模态分析理论基础
• 2.3.1 模态分析理论基础
• 2.3.2 ANSYS模态分析简介
• 2.4 残余应力测量理论
• 2.4.1 盲孔法测量基本原理
• 2.4.2 盲孔法测量操作步骤
• 第3章 基于ANSYS的有限元建模
• 3.1 引言
• 3.2 矫平机整体模型（模型1）
• 3.2.1 矫平机几何结构及特点
• 3.2.2 有限元模型的建立
• 3.2.3 设置边界条件
• 3.3 平板结构模拟模型（模型2）
• 3.4 矫平机床身模型（模型3）
• 3.4.1 有限元模型的建立
• 3.4.2 选取支撑方式
• 3.5 总结
• 第4章 矫平机结构静力学分析
• 4.1 引言
• 4.2 矫平机整体结构静力学分析
• 4.2.1 整体结构变形分析
• 4.2.2 整体结构应力分析
• 4.3 矫平机关键部位接触静力学分析
• 4.3.1 关键部位变形分析
• 4.3.2 关键部位应力分析
• 4.4 总结
• 第5章 结构动力学分析
• 5.1 引言
• 5.2 结构模态分析
• 5.2.1 平板模型模态分析
• 5.2.2 床身结构模态分析
• 5.3 结构谐响应分析
• 5.3.1 平板模拟模型谐响应分析
• 5.3.2 床身模型谐响应分析
• 5.4 总结
• 第6章 振动时效分析
• 6.1 引言
• 6.2 平板模拟结构振动时效分析
• 6.3 床身结构振动时效分析
• 6.3.1 动应力分析
• 6.3.2 激振频率分析
• 6.3.3 焊接残余应力测试
• 6.4 总结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表