有限元畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)
有限元畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū),有限元,畢業(yè)設(shè)計(jì),任務(wù)書(shū)
畢業(yè)設(shè)計(jì)論文
課題名稱(chēng) 龍門(mén)銑床有限元分析
學(xué) 院 機(jī)械學(xué)院
專(zhuān) 業(yè)
班 級(jí)
學(xué) 號(hào)
姓 名
指導(dǎo)教師
定稿日期： 年 月 日
引言
龍門(mén)銑床簡(jiǎn)稱(chēng)龍門(mén)銑，是具有門(mén)式框架和臥式長(zhǎng)床身的銑床。龍門(mén)銑床上可以用多把銑刀同時(shí)加工表面，加工精度和生產(chǎn)效率都比較高，適用于在成批和大量生產(chǎn)中加工大型工件的平面和斜面。數(shù)控龍門(mén)銑床還可加工空間曲面和一些特型零件。
龍門(mén)銑床的外形與龍門(mén)刨床相似，區(qū)別在于它的橫梁和立柱上裝的不是刨刀刀架而是帶有主軸箱的銑刀架，并且龍門(mén)銑床的縱向工作臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)不是主運(yùn)動(dòng)，而是進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而銑刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是主運(yùn)動(dòng)。
龍門(mén)銑床是用途廣泛的重型機(jī)床，主要用于鋼鐵、能源、化工、橋梁、鐵路、汽車(chē)、軍工、模具及機(jī)床行業(yè)的大型金屬零件的各種平面銑削：如水平面、垂直面、斜面及各種平面組成的導(dǎo)軌面。如對(duì)機(jī)床進(jìn)行變型設(shè)計(jì)，還可以設(shè)計(jì)成帶鏜削功能的龍門(mén)鏜銑床，在橫梁上配上磨頭還可以進(jìn)行零件的磨削加工。
本機(jī)床具有如下特點(diǎn)：
①、獨(dú)特的橫梁升降系統(tǒng)設(shè)有必要的安全連鎖裝置，以保證機(jī)床的運(yùn)行安全，穩(wěn)定性以及重復(fù)定位精度。
②、立銑頭在橫梁上的移動(dòng)、側(cè)銑頭在立柱上上下移動(dòng)均采用變頻無(wú)級(jí)調(diào)速，有利于選取合理的切削參數(shù)，使用較方便。
③、工作臺(tái)工作進(jìn)給由伺服電機(jī)控制，調(diào)速范圍更寬可以滿(mǎn)足所有的銑削要求，并且按鈕站上還設(shè)有手動(dòng)脈沖發(fā)生器可以精度對(duì)刀實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的銑削精度。
Abstract
Longmen milling machine referred to Longmen milling, milling machine with portal frame and the horizontal length of the bed. Longmen milling machine can simultaneously process the surface with multiple cutters, the machining precision and the production efficiency is higher, suitable for processing large workpiece in batch and mass production of the plane and inclined plane. Longmen CNC milling machine processing can also be space curved surface and some special parts.
Longmen milling machine appearance with Longmen planer is similar, the difference lies in the cutter frame which is arranged on the cross beam and the column planer tool but not with the main spindle box, and the reciprocating motion of a longitudinal worktable Longmen milling machine is not the main motion, but the feed movement, but the rotary motion is the main movement of milling cutter.
Longmen heavy duty machine tool milling machine is widely used, mainly used for various planar milling large metal parts of iron and steel, energy, chemical, bridge, railway, automobile, military industry, mold and machine tool industry: such as rail horizontal plane, inclined plane, and a variety of composition of the surface. As for the variant design of machine tool, Longmen boring and milling machine can also be designed with boring function, grinding on the beam with the grinding head can also be used for parts.
This machine has the following characteristics:
First, the unique lifting beams system is provided with a safety interlocking device necessary, to ensure the safe operation of the machine, the stability and repeatability of positioning accuracy.
II, vertical milling head on the beam, side milling head moving up and down on the column mobile adopts frequency conversion stepless speed regulation, is conducive to the cutting parameter selection is reasonable, the use is more convenient.
Third, worktable feed is controlled by a servo motor, a wide speed range and can meet the requirements of all the milling, and button station is also provided with a manual pulse generator can realize precision cutter milling micron.
目錄
一，龍門(mén)銑床的介紹和課題背景
二，龍門(mén)銑床的與應(yīng)用
三，本課題研究?jī)?nèi)容介紹
3.1龍門(mén)銑床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
3.2機(jī)身重量的影響因素
四，機(jī)身機(jī)構(gòu)優(yōu)化
4.1有限元介紹
4.2龍門(mén)銑床模型建立
4.3有限元分析
4.3.1模型導(dǎo)入
4.3.2模型特性定義
4.3.3網(wǎng)格劃分
4.3.4工況條件
4.3.5解析
4.4結(jié)構(gòu)優(yōu)化
4.4.1模型重量?jī)?yōu)化
4.4.2優(yōu)化后的解析
4.5結(jié)果比對(duì)
五，總結(jié)
六，參考文獻(xiàn)
一，龍門(mén)銑床的介紹和課題背景
龍門(mén)銑床簡(jiǎn)稱(chēng)龍門(mén)銑，是具有門(mén)式框架和臥式長(zhǎng)床身的銑床。龍門(mén)銑床上可以用多把銑刀同時(shí)加工表面，加工精度和生產(chǎn)效率都比較高，適用于在成批和大量生產(chǎn)中加工大型工件的平面和斜面。數(shù)控龍門(mén)銑床還可加工空間曲面和一些特型零件。
龍門(mén)銑床的外形與龍門(mén)刨床相似，區(qū)別在于它的橫梁和立柱上裝的不是刨刀刀架而是帶有主軸箱的銑刀架，并且龍門(mén)銑床的縱向工作臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)不是主運(yùn)動(dòng)，而是進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而銑刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是主運(yùn)動(dòng)。龍門(mén)銑床簡(jiǎn)稱(chēng)龍門(mén)銑，是具有門(mén)式框架和臥式長(zhǎng)床身的銑床。龍門(mén)銑床上可以用多把銑刀同時(shí)加工表面，加工精度和生產(chǎn)效率都比較高，適用于在成批和大量生產(chǎn)中加工大型工件的平面和斜面。數(shù)控龍門(mén)銑床還可加工空間曲面和一些特型零件。
龍門(mén)銑床的外形與龍門(mén)刨床相似，區(qū)別在于它的橫梁和立柱上裝的不是刨刀刀架而是帶有主軸箱的銑刀架，并且龍門(mén)銑床的縱向工作臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)不是主運(yùn)動(dòng)，而是進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而銑刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是主運(yùn)動(dòng)。
龍門(mén)銑床是用途廣泛的重型機(jī)床，主要用于鋼鐵、能源、化工、橋梁、鐵路、汽車(chē)、軍工、模具及機(jī)床行業(yè)的大型金屬零件的各種平面銑削：如水平面、垂直面、斜面及各種平面組成的導(dǎo)軌面。如對(duì)機(jī)床進(jìn)行變型設(shè)計(jì)，還可以設(shè)計(jì)成帶鏜削功能的龍門(mén)鏜銑床，在橫梁上配上磨頭還可以進(jìn)行零件的磨削加工。
二，龍門(mén)銑床的與應(yīng)用
龍門(mén)銑床是用途廣泛的重型機(jī)床，主要用于鋼鐵、能源、化工、橋梁、鐵路、汽車(chē)、軍工、模具及機(jī)床行業(yè)的大型金屬零件的各種平面銑削：如水平面、垂直面、斜面及各種平面組成的導(dǎo)軌面。如對(duì)機(jī)床進(jìn)行變型設(shè)計(jì)，還可以設(shè)計(jì)成帶鏜削功能的龍門(mén)鏜銑床，在橫梁上配上磨頭還可以進(jìn)行零件的磨削加工。
龍門(mén)銑床簡(jiǎn)稱(chēng)龍門(mén)銑，是具有門(mén)式框架和臥式長(zhǎng)床身的銑床。龍門(mén)銑床上可以用多把銑刀同時(shí)加工表面，加工精度和生產(chǎn)效率都比較高，適用于在成批和大量生產(chǎn)中加工大型工件的平面和斜面。數(shù)控龍門(mén)銑床還可加工空間曲面和一些特型零件。
龍門(mén)銑床的外形與龍門(mén)刨床相似，區(qū)別在于它的橫梁和立柱上裝的不是刨刀刀架而是帶有主軸箱的銑刀架，并且龍門(mén)銑床的縱向工作臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)不是主運(yùn)動(dòng)，而是進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而銑刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是主運(yùn)動(dòng)。
龍門(mén)銑床是用途廣泛的重型機(jī)床，主要用于鋼鐵、能源、化工、橋梁、鐵路、汽車(chē)、軍工、模具及機(jī)床行業(yè)的大型金屬零件的各種平面銑削：如水平面、垂直面、斜面及各種平面組成的導(dǎo)軌面。如對(duì)機(jī)床進(jìn)行變型設(shè)計(jì)，還可以設(shè)計(jì)成帶鏜削功能的龍門(mén)鏜銑床，在橫梁上配上磨頭還可以進(jìn)行零件的磨削加工。
本機(jī)床具有如下特點(diǎn)：
①、獨(dú)特的橫梁升降系統(tǒng)設(shè)有必要的安全連鎖裝置，以保證機(jī)床的運(yùn)行安全，穩(wěn)定性以及重復(fù)定位精度。
②、立銑頭在橫梁上的移動(dòng)、側(cè)銑頭在立柱上上下移動(dòng)均采用變頻無(wú)級(jí)調(diào)速，有利于選取合理的切削參數(shù)，使用較方便。
③、工作臺(tái)工作進(jìn)給由伺服電機(jī)控制，調(diào)速范圍更寬可以滿(mǎn)足所有的銑削要求，并且按鈕站上還設(shè)有手動(dòng)脈沖發(fā)生器可以精度對(duì)刀實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的銑削精度。
④、工作臺(tái)導(dǎo)軌采用獨(dú)立手動(dòng)泵潤(rùn)滑，主絲杠采用獨(dú)立的自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，橫梁立柱導(dǎo)軌及橫梁立柱絲桿采用手動(dòng)潤(rùn)滑，整機(jī)具有良好的減磨潤(rùn)滑性能。
⑤、電器控制采用美國(guó)先進(jìn)技術(shù)由交流伺服控制器控制，其機(jī)電一體化程度很高。減輕了體力提高了效率。
三，本課題研究?jī)?nèi)容介紹
3.1龍門(mén)銑床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
定義
龍門(mén)銑床簡(jiǎn)稱(chēng)龍門(mén)銑，是具有門(mén)式框架和臥式長(zhǎng)床身的銑床。龍門(mén)銑床上可以用多把銑刀同時(shí)加工表面，加工精度和生產(chǎn)效率都比較高，適用于在成批和大量生產(chǎn)中加工大型工件的平面和斜面。數(shù)控龍門(mén)銑床還可加工空間曲面和一些特型零件。龍門(mén)銑床是用途廣泛的重型機(jī)床，主要用于鋼鐵、能源、化工、橋梁、鐵路、汽車(chē)、軍工、模具及機(jī)床行業(yè)的大型金屬零件的各種平面銑削：如水平面、垂直面、斜面及各種平面組成的導(dǎo)軌面。如對(duì)機(jī)床進(jìn)行變型設(shè)計(jì)，還可以設(shè)計(jì)成帶鏜削功能的龍門(mén)鏜銑床，在橫梁上配上磨頭還可以進(jìn)行零件的磨削加工。
本機(jī)床具有如下特點(diǎn)：
獨(dú)特的橫梁升降系統(tǒng)設(shè)有必要的安全連鎖裝置，以保證機(jī)床的運(yùn)行安全，穩(wěn)定性以及重復(fù)定位精度。
立銑頭在橫梁上的移動(dòng)、側(cè)銑頭在立柱上上下移動(dòng)均采用變頻無(wú)級(jí)調(diào)速，有利于選取合理的切削參數(shù)，使用較方便。
工作臺(tái)工作進(jìn)給由伺服電機(jī)控制，調(diào)速范圍更寬可以滿(mǎn)足所有的銑削要求，并且按鈕站上還設(shè)有手動(dòng)脈沖發(fā)生器可以精度對(duì)刀實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的銑削精度。
工作臺(tái)導(dǎo)軌采用獨(dú)立手動(dòng)泵潤(rùn)滑，主絲杠采用獨(dú)立的自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，橫梁立柱導(dǎo)軌及橫梁立柱絲桿采用手動(dòng)潤(rùn)滑，整機(jī)具有良好的減磨潤(rùn)滑性能。
電器控制采用美國(guó)先進(jìn)技術(shù)由交流伺服控制器控制，其機(jī)電一體化程度很高。減輕了體力提高了效率。
區(qū)別龍門(mén)銑床的外形與龍門(mén)刨床相似，區(qū)別在于它的橫梁和立柱上裝的不是刨刀刀架而是帶有主軸箱的銑刀架，并且龍門(mén)銑床的縱向工作臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)不是主運(yùn)動(dòng)，而是進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而銑刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是主運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)龍門(mén)銑床由門(mén)式框架、床身工作臺(tái)和電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成。
門(mén)式框架由立柱和頂梁構(gòu)成，中間還有橫梁。橫梁可沿兩立柱導(dǎo)軌作升降運(yùn)動(dòng)。橫梁上有1～2個(gè)帶垂直主軸的銑頭，可沿橫梁導(dǎo)軌作橫向運(yùn)動(dòng)。兩立柱上還可分別安裝一個(gè)帶有水平主軸的銑頭，它可沿立柱導(dǎo)軌作升降運(yùn)動(dòng)。這些銑頭可同時(shí)加工幾個(gè)表面。每個(gè)銑頭都具有單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)（功率最大可達(dá)150千瓦）、變速機(jī)構(gòu)、操縱機(jī)構(gòu)和主軸部件等。
龍門(mén)銑床是用途廣泛的重型機(jī)床，主要用于鋼鐵、能源、化工、橋梁、鐵路、汽車(chē)、軍工、模具及機(jī)床行業(yè)的大型金屬零件的各種平面銑削：如水平面、垂直面、斜面及各種平面組成的導(dǎo)軌面。如對(duì)機(jī)床進(jìn)行變型設(shè)計(jì)，還可以設(shè)計(jì)成帶鏜削功能的龍門(mén)鏜銑床，在橫梁上配上磨頭還可以進(jìn)行零件的磨削加工。
本機(jī)床具有如下特點(diǎn)：
①、獨(dú)特的橫梁升降系統(tǒng)設(shè)有必要的安全連鎖裝置，以保證機(jī)床的運(yùn)行安全，穩(wěn)定性以及重復(fù)定位精度。
立銑頭在橫梁上的移動(dòng)、側(cè)銑頭在立柱上上下移動(dòng)均采用變頻無(wú)級(jí)調(diào)速，有利于選取合理的切削參數(shù)，使用較方便。
工作臺(tái)工作進(jìn)給由伺服電機(jī)控制，調(diào)速范圍更寬可以滿(mǎn)足所有的銑削要求，并且按鈕站上還設(shè)有手動(dòng)脈沖發(fā)生器可以精度對(duì)刀實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的銑削精度。
工作臺(tái)導(dǎo)軌采用獨(dú)立手動(dòng)泵潤(rùn)滑，主絲杠采用獨(dú)立的自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，橫梁立柱導(dǎo)軌及橫梁立柱絲桿采用手動(dòng)潤(rùn)滑，整機(jī)具有良好的減磨潤(rùn)滑性能。
電器控制采用美國(guó)先進(jìn)技術(shù)由交流伺服控制器控制，其機(jī)電一體化程度很高。減輕了體力提高了效率。
臥式長(zhǎng)床身上架設(shè)有可移動(dòng)的工作臺(tái)，并覆有護(hù)罩。加工時(shí)，工件安裝在工作臺(tái)上并隨之作縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
龍門(mén)銑床還有一些變型以適應(yīng)不同的加工對(duì)象。
①龍門(mén)鏜銑床：橫梁上裝有可銑可鏜的銑鏜頭
，其主軸（套筒或滑枕）能作軸向機(jī)動(dòng)進(jìn)給并有運(yùn)動(dòng)微調(diào)裝置,微調(diào)速度可低至5毫米/分?？蛇M(jìn)行鏜孔及銑削作業(yè)。
②龍門(mén)鉆銑床：橫梁上裝有動(dòng)力頭，通過(guò)接桿裝鉆頭或銑刀，可完成鉆孔及銑削作業(yè)。龍門(mén)銑床床身上裝設(shè)有X軸導(dǎo)軌，龍門(mén)銑床工作臺(tái)跨越緊固在該床身上。工作臺(tái)上方活動(dòng)跨越架設(shè)有龍門(mén)架，龍門(mén)架還包括有：龍門(mén)架拖板，龍門(mén)架拖板活動(dòng)夾持于該X軸導(dǎo)軌上。Z軸導(dǎo)軌，裝設(shè)于龍門(mén)架上。橫梁，該橫梁裝設(shè)有一Z軸拖板，橫梁通過(guò)該Z軸拖板而活動(dòng)夾持于該Z軸導(dǎo)軌上，橫梁上還裝設(shè)有Y軸導(dǎo)軌?！°娤餮b置，龍門(mén)銑床銑削裝置活動(dòng)裝設(shè)于該Y軸導(dǎo)軌上，使該龍門(mén)架在數(shù)控電路控制系統(tǒng)的控制下，作X、Y、Z三軸的立體空間銑削加工。該數(shù)控龍門(mén)銑床具有高精度的銑、鉆、鏜、削等操作。主參數(shù)龍門(mén)銑床的主參數(shù)為工作臺(tái)面寬度，也有以龍門(mén)寬度為參數(shù)的。
如型號(hào)為SK2015-3的數(shù)控龍門(mén)銑，指龍門(mén)寬度為1.5米，工作臺(tái)長(zhǎng)度為3米，換句話說(shuō)，就是能加工1.5寬，3米長(zhǎng)的工件。
2種類(lèi)編輯
龍門(mén)銑床是用途廣泛的重型機(jī)床，主要用于鋼鐵、能源、化工、橋梁、鐵路、汽車(chē)、軍工、模具及機(jī)床行業(yè)的大型金屬零件的各種平面銑削：如水平面、垂直面、斜面及各種平面組成的導(dǎo)軌面。如對(duì)機(jī)床進(jìn)行變型設(shè)計(jì)，還可以設(shè)計(jì)成帶鏜削功能的龍門(mén)鏜銑床，在橫梁上配上磨頭還可以進(jìn)行零件的磨削加工。
本機(jī)床具有如下特點(diǎn)：
①、獨(dú)特的橫梁升降系統(tǒng)設(shè)有必要的安全連鎖裝置，以保證機(jī)床的運(yùn)行安全，穩(wěn)定性以及重復(fù)定位精度。
②、立銑頭在橫梁上的移動(dòng)、側(cè)銑頭在立柱上上下移動(dòng)均采用變頻無(wú)級(jí)調(diào)速，有利于選取合理的切削參數(shù)，使用較方便。
③、工作臺(tái)工作進(jìn)給由伺服電機(jī)控制，調(diào)速范圍更寬可以滿(mǎn)足所有的銑削要求，并且按鈕站上還設(shè)有手動(dòng)脈沖發(fā)生器可以精度對(duì)刀實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的銑削精度。
④、工作臺(tái)導(dǎo)軌采用獨(dú)立手動(dòng)泵潤(rùn)滑，主絲杠采用獨(dú)立的自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，橫梁立柱導(dǎo)軌及橫梁立柱絲桿采用手動(dòng)潤(rùn)滑，整機(jī)具有良好的減磨潤(rùn)滑性能。
⑤、電器控制采用美國(guó)先進(jìn)技術(shù)由交流伺服控制器控制，其機(jī)電一體化程度很高。減輕了體力提高了效率。
形式劃分
按龍門(mén)架是否移動(dòng)，分為龍門(mén)固定工作臺(tái)移動(dòng)式（約占90%以上）
意大利因賽橋式龍門(mén)銑
和龍門(mén)移動(dòng)式（又稱(chēng)橋式）。橋式龍門(mén)銑的特點(diǎn)是占地面積小，承載能力大，龍門(mén)架行程可達(dá)20米，便于加工特長(zhǎng)或特重的工件。
按橫梁是否在立柱上運(yùn)動(dòng)，分為動(dòng)梁式和定梁式兩種；橫梁在高架床身上移動(dòng)稱(chēng)為高架式。
系統(tǒng)劃分
分為普通型和數(shù)控型，還有廠家開(kāi)發(fā)出普通銑和數(shù)控銑一鍵式轉(zhuǎn)換的數(shù)字智能化龍門(mén)銑，更為靈活實(shí)用。
能力劃分
分為輕型、中型和重型（超重型）龍門(mén)銑。
3性能特點(diǎn)編輯
龍門(mén)銑床具有足夠的剛性，效率高，操作方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能全面性等特點(diǎn)。
其具體的性能特點(diǎn)根據(jù)種類(lèi)、型號(hào)以及廠家各有不同，與所采用的技術(shù)有很大關(guān)系。以之前提到的SK系列三軸數(shù)控龍門(mén)銑為例，其性能特點(diǎn)在于：
1.立銑頭配置TX400重型龍門(mén)銑頭，雙矩形導(dǎo)軌，剛性強(qiáng)；
2. 銑頭裝滾珠絲杠、氣動(dòng)拉刀裝置、有伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；
3. 側(cè)銑頭配置V5型龍門(mén)銑頭，加裝獨(dú)立潤(rùn)滑裝置，升降由普通減速機(jī)傳動(dòng)，變頻調(diào)速；
4. 普銑/數(shù)控銑一鍵式轉(zhuǎn)換三軸數(shù)控系統(tǒng)，即可編程操作又能利用擴(kuò)展面板手動(dòng)操作，在實(shí)際機(jī)械加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)性極強(qiáng)；
5. 床身進(jìn)退、橫梁上下、立銑頭上下均配臺(tái)灣滾珠絲杠，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；
6. 配同步帶、同步輪；
7. 手持式電子手輪單元，方便三軸對(duì)刀；
8. 獨(dú)特的橫梁升降安全連鎖裝置，保證機(jī)床的重復(fù)定位精度；
9.臺(tái)標(biāo)擺線泵組連續(xù)潤(rùn)滑，故障率低。
3.2機(jī)身重量的影響因素
機(jī)身重量會(huì)影響銑床工作的穩(wěn)定性，靈活性。也會(huì)增加制造工藝復(fù)雜程度和加工成本。所以對(duì)機(jī)身重量的研究至關(guān)重要。
四，機(jī)身機(jī)構(gòu)優(yōu)化
4.1有限元介紹
在數(shù)學(xué)中，有限元法（FEM，F(xiàn)inite Element Method）是一種為求解偏微分方程邊值問(wèn)題近似解的數(shù)值技術(shù)。求解時(shí)對(duì)整個(gè)問(wèn)題區(qū)域進(jìn)行分解，每個(gè)子區(qū)域都成為簡(jiǎn)單的部分，這種簡(jiǎn)單部分就稱(chēng)作有限元。它通過(guò)變分方法，使得誤差函數(shù)達(dá)到最小值并產(chǎn)生穩(wěn)定解。類(lèi)比于連接多段微小直線逼近圓的思想，有限元法包含了一切可能的方法，這些方法將許多被稱(chēng)為有限元的小區(qū)域上的簡(jiǎn)單方程聯(lián)系起來(lái)，并用其去估計(jì)更大區(qū)域上的復(fù)雜方程。在數(shù)學(xué)中，有限元法（FEM，F(xiàn)inite Element Method）是一種為求解偏微分方程邊值問(wèn)題近似解的數(shù)值技術(shù)。求解時(shí)對(duì)整個(gè)問(wèn)題區(qū)域進(jìn)行分解，每個(gè)子區(qū)域都成為簡(jiǎn)單的部分，這種簡(jiǎn)單部分就稱(chēng)作有限元。它通過(guò)變分方法，使得誤差函數(shù)達(dá)到最小值并產(chǎn)生穩(wěn)定解。類(lèi)比于連接多段微小直線逼近圓的思想，有限元法包含了一切可能的方法，這些方法將許多被稱(chēng)為有限元的小區(qū)域上的簡(jiǎn)單方程聯(lián)系起來(lái)，并用其去估計(jì)更大區(qū)域上的復(fù)雜方程。它將求解域看成是由許多稱(chēng)為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿(mǎn)足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。
它將求解域看成是由許多稱(chēng)為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿(mǎn)足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。
4.2龍門(mén)銑床模型建立
本設(shè)計(jì)中模型參考現(xiàn)有龍門(mén)銑床建立。重點(diǎn)部分為機(jī)身，工作部分，鉆頭部分，也就是受力部分，為后續(xù)做分析做模型基礎(chǔ)。
建模如下圖所示
1，機(jī)架2，電機(jī)3，轉(zhuǎn)動(dòng)頭4，工作板面
4.3有限元分析
4.3.1模型導(dǎo)入
1?ANSYS與Solidworks之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換??
使用ANSYS進(jìn)行有限元分析時(shí)，技術(shù)人員在進(jìn)行三維模型的建立過(guò)程中耗費(fèi)了大量的時(shí)間與精力。由于ANSYS自帶的建模功能非常有限，只能建立一些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的模型。隨著ANSYS的應(yīng)用日益廣泛，在很多時(shí)候需要對(duì)非常復(fù)雜的模型進(jìn)行有限元模型的建立，其需要處理的模型也越來(lái)越復(fù)雜，ANSYS自帶的建模功能顯出很多的不足之處。??
Solidworks作為一款三維CAD軟件，其擁有強(qiáng)大的參數(shù)化建模能力，可以建立非常復(fù)雜的實(shí)體模型。因此，如果充分利用Solidworks快速準(zhǔn)確建模的特長(zhǎng)，把在Solidworks建立好的模型導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行分析就可以很好地解決ANSYS建模能力的不足?，F(xiàn)在，大多數(shù)的技術(shù)人員都是利用三維CAD軟件建模，通過(guò)ANSYS與三維CAD軟件之間的圖形接口將建立好的模型導(dǎo)入到ANSYS。了解ANSYS與Solidworks之間的導(dǎo)入接口，能有效提高模型質(zhì)量，簡(jiǎn)化分析工作，對(duì)CAE分析人員有著非常重要的意義。將模型導(dǎo)入ansys軟件，如下圖所示：
進(jìn)入ansys界面，在model模塊中，點(diǎn)擊geometry拖進(jìn)project schematic界面，然后在analysis systems中點(diǎn)擊static structural模塊，將其拖到剛剛創(chuàng)建的geometry模塊上。
4.3.2模型特性定義
進(jìn)入分析模塊界面，如下圖所示
首先對(duì)模型進(jìn)行材質(zhì)定義，點(diǎn)擊model，彈出界面，如下，在assignment框后面選擇structural steel。結(jié)構(gòu)鋼，點(diǎn)擊確認(rèn)，對(duì)材料成功賦予材質(zhì)。如下圖
4.3.3網(wǎng)格劃分
使用ANSYS進(jìn)行有限元分析時(shí)，技術(shù)人員在進(jìn)行三維模型的建立過(guò)程中耗費(fèi)了大量的時(shí)間與精力。由于ANSYS自帶的建模功能非常有限，只能建立一些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的模型。隨著ANSYS的應(yīng)用日益廣泛，在很多時(shí)候需要對(duì)非常復(fù)雜的模型進(jìn)行有限元模型的建立，其需要處理的模型也越來(lái)越復(fù)雜，ANSYS自帶的建模功能顯出很多的不足之處。??
Solidworks作為一款三維CAD軟件，其擁有強(qiáng)大的參數(shù)化建模能力，可以建立非常復(fù)雜的實(shí)體模型。因此，如果充分利用Solidworks快速準(zhǔn)確建模的特長(zhǎng)，把在Solidworks建立好的模型導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行分析就可以很好地解決ANSYS建模能力的不足?，F(xiàn)在，大多數(shù)的技術(shù)人員都是利用三維CAD軟件建模，通過(guò)ANSYS與三維CAD軟件之間的圖形接口將建立好的模型導(dǎo)入到ANSYS。了解ANSYS與Solidworks之間的導(dǎo)入接口，能有效提高模型質(zhì)量，簡(jiǎn)化分析工作，對(duì)CAE分析人員有著非常重要的意義。眾所周知，對(duì)于有限元分析來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格劃分是其中最關(guān)鍵的一個(gè)步驟，網(wǎng)格劃分的好壞直接影響到解算的精度和速度。在ANSYS中，大家知道，網(wǎng)格劃分有三個(gè)步驟：定義單元屬性（包括實(shí)常數(shù)）、在幾何模型上定義網(wǎng)格屬性、劃分網(wǎng)格。在這里，我們僅對(duì)網(wǎng)格劃分這個(gè)步驟所涉及到的一些問(wèn)題，尤其是與復(fù)雜模型相關(guān)的一些問(wèn)題作簡(jiǎn)要闡述。?????
自由網(wǎng)格劃分??
自由網(wǎng)格劃分是自動(dòng)化程度最高的網(wǎng)格劃分技術(shù)之一，它在面上（平面、曲面）可以自動(dòng)生成三角形或四邊形網(wǎng)格，在體上自動(dòng)生成四面體網(wǎng)格。通常情況下，可利用ANSYS的智能尺寸控制技術(shù)（SMARTSIZE命令）來(lái)自動(dòng)控制網(wǎng)格的大小和疏密分布，也可進(jìn)行人工設(shè)置網(wǎng)格的大?。ˋESIZE、LESIZE、KESIZE、ESIZE等系列命令）并控制疏密分布以及選擇分網(wǎng)算法等（MOPT命令）。點(diǎn)擊工程對(duì)話框的mesh選項(xiàng)，，并設(shè)置relvence選項(xiàng)值為100，這樣可以得到較高的網(wǎng)格區(qū)域，右擊，點(diǎn)擊mesh，軟件自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分?；シ鄢晒笕缦聢D所示
4.3.4工況條件
對(duì)模型進(jìn)行工況設(shè)置，包括固定部分和受力部分。點(diǎn)擊supports下的fixed support定義固定載荷，本模型中，設(shè)定地面為固定。如下圖
設(shè)置受力載荷，由于西銑床在工作過(guò)程中，受到與鉆頭相反方向的力，為向上和向后的力?？梢栽阢姶仓Ъ苌隙x兩個(gè)分力，分別為向上和向后。如下圖所示：
4.3.5解析
對(duì)于某些結(jié)構(gòu)，從概念的角度看，可以認(rèn)為它是幾何不變的穩(wěn)定體系。但如果結(jié)構(gòu)相近的幾個(gè)主要構(gòu)件剛度相差懸殊，在數(shù)值計(jì)算中就可能導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算的較大誤差，嚴(yán)重的可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的幾何可變性——忽略小剛度構(gòu)件的剛度貢獻(xiàn)。
如出現(xiàn)上述的結(jié)構(gòu)，要分析它，就得降低剛度很大的構(gòu)件單元的剛度，可以加細(xì)網(wǎng)格劃分，或著改用高階單元（BEAM->SHELL,SHELL->SOLID)。構(gòu)件的連接形式（剛接或鉸接）等也可能影響到結(jié)構(gòu)的剛度。
充分利用ANSYS MAP分網(wǎng)和SWEEP分網(wǎng)技術(shù)，盡可能獲得六面體網(wǎng)格，這一方面減小解題規(guī)模，另一方面提高計(jì)算精度。
工況條件設(shè)置完畢可以進(jìn)行解析，點(diǎn)擊solve按鈕，軟件進(jìn)入解析狀態(tài)。如下圖
解析最終結(jié)果包括應(yīng)力，應(yīng)變，位移。
如下圖
紅色部分代表最大的值。由彩虹圖可以看出每一部分的值，也可以通過(guò)軟件設(shè)定，看任何部位的分析結(jié)果
應(yīng)力張量
如右圖所示，P為直角坐標(biāo)系0XYZ中一變形體內(nèi)的任意點(diǎn)，在此點(diǎn)附
近切取一個(gè)各平面都平行于坐標(biāo)平面的六面體。此六面體上三個(gè)互相垂直的三個(gè)平面上的應(yīng)力分量即可表示該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)[1]?。
為規(guī)定應(yīng)力分量的正負(fù)號(hào)，首先假設(shè)：法向與坐標(biāo)軸正向一致的面為正面；與坐 標(biāo)軸負(fù)向一致的面為負(fù)面。進(jìn)而規(guī)定：正面上指向坐標(biāo)軸正向的應(yīng)力為正，反之為負(fù)； 負(fù)面上指向坐標(biāo)軸負(fù)向的應(yīng)力為正，反之為負(fù)。三個(gè)正面上共有九個(gè)應(yīng)力分量（包括三個(gè)正應(yīng)力和六個(gè)切應(yīng)力）。此九個(gè)應(yīng)力分量可寫(xiě)成如下矩陣形式：
應(yīng)力分量的第一個(gè)下標(biāo)表示作用平面
的法向；第二個(gè)下標(biāo)表示應(yīng)力作用的方向。正應(yīng)力的兩個(gè)下標(biāo)是一樣的，故用一個(gè)下標(biāo)簡(jiǎn)寫(xiě)之。
由于切應(yīng)力互等定理，上列矩陣中對(duì)角的切應(yīng)力是相等的，即：τxy=τyx, τyz=τzy, τzx=τxz。因此，此矩陣為對(duì)稱(chēng)矩陣，九個(gè)應(yīng)力分量中六個(gè)應(yīng)力分量是獨(dú)立的。
主應(yīng)力
如果作用在某一截面上的全應(yīng)力和這一截面垂直，即該截面上只有正應(yīng)力，切應(yīng)力為零，則這一截面稱(chēng)為主平面，其法線方向稱(chēng)為應(yīng)力主方向或應(yīng)力主軸，其上的應(yīng)力稱(chēng)為主應(yīng)力。如果三個(gè)坐標(biāo)軸方向都是主方向，則稱(chēng)這一坐標(biāo)系為主坐標(biāo)系。
應(yīng)力張量不變量
在求解主應(yīng)力的過(guò)程中會(huì)得到以主應(yīng)力為未知數(shù)的三次方程，叫做狀態(tài)方程[2]?。
狀態(tài)方程的三個(gè)系數(shù)唯一由主應(yīng)力確定，而一點(diǎn)的主應(yīng)力是唯一的，這樣就得到了不隨坐標(biāo)變化的三個(gè)量，叫作應(yīng)力張量不變量
用一般應(yīng)力表示為
紅色部分代表最大的值。由彩虹圖可以看出每一部分的值，也可以通過(guò)軟件設(shè)定，看任何部位的分析結(jié)果
紅色部分代表最大的值。由彩虹圖可以看出每一部分的值，也可以通過(guò)軟件設(shè)定，看任何部位的分析結(jié)果
4.4結(jié)構(gòu)優(yōu)化
4.4.1模型優(yōu)化
在之前分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，在其主要受力部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將床身厚度進(jìn)行減薄，支架部分也減薄。如下圖所示
優(yōu)化后的模型
4.4.2優(yōu)化后的解析
與上面的操作一樣，對(duì)模型進(jìn)行再次解析，得到如下結(jié)果
4.5結(jié)果比對(duì)
原始模型的分析結(jié)果如下：
位移0.002mm
應(yīng)變2.35e-6mm
應(yīng)力0.39Mpa
優(yōu)化以后的模型分析結(jié)果如下
位移0.0017mm
應(yīng)變1.65e-6mm
應(yīng)力0.35Mpa
可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化以后模型受力狀況得到改善，內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變位移都得到優(yōu)化。本次優(yōu)化成功。
五，總結(jié)
本論文在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師淵博的專(zhuān)業(yè)知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，嚴(yán)于律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實(shí)無(wú)法、平易近人的人格魅力對(duì)本人影響深遠(yuǎn)。不僅使本人樹(shù)立了遠(yuǎn)大的學(xué)習(xí)目標(biāo)、掌握了基本的研究方法，還使本人明白了許多為人處事的道理。本次論文從選題到完成，每一步都是在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的，傾注了導(dǎo)師大量的心血。在此，謹(jǐn)向?qū)煴硎境绺叩木匆夂椭孕牡母兄x！在寫(xiě)論文的過(guò)程中，遇到了很多的問(wèn)題，在老師的耐心指導(dǎo)下，問(wèn)題都得以解決。所以在此，再次對(duì)老師道一聲：老師，謝謝您！時(shí)光匆匆如流水，轉(zhuǎn)眼便是大學(xué)畢業(yè)時(shí)節(jié)，春夢(mèng)秋云，聚散真容易。離校日期已日趨漸進(jìn)，畢業(yè)論文的完成也隨之進(jìn)入了尾聲。從開(kāi)始進(jìn)入課題到論文的順利完成，一直都離不開(kāi)老師、同學(xué)、朋友給我熱情的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意！在此我向?qū)W校本專(zhuān)業(yè)的所有老師表示衷心的感謝，謝謝你們這幾年的辛勤栽培，謝謝你們?cè)诮虒W(xué)的同時(shí)更多的是傳授我們做人的道理，謝謝這些年里面你們孜孜不倦的教誨！
六，參考文獻(xiàn)
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