基于ABAQUS的大型数控导轨磨床床身振动特性分析

崔高健，王元民，杨 军

（长春工业大学 机电工程学院，吉林 长春 130012）

0 引言

某机床厂生产的MK53160大型数控导轨磨床采用龙门同床身分离结构，所以其床身主要承受机床的静载荷。床身的振动特性直接影响机床的抗振性和稳定性，因此床身必须有合适的固有频率及其相适应的结构振型。本文以MK53160-10床身为研究对象，运用SolidWorks软件建立三维模型，在有限元分析平台ABAQUS上进行模态分析，得出床身的固有频率和振型［1］。

1 建立有限元模型

1.1 分析模型

针对ABAQUS软件实体建模功能相对薄弱的缺点，本文采用的建模方法是在三维CAD软件SolidWorks中建立床身机构的实体模型，在建模时对结构中半径小于10mm圆角和半径小于10mm的工艺孔进行了简化。MK53160大型数控导轨磨床床身的简化实体模型如图1所示。

图1 MK53160机床床身简化模型

MK53160大型数控导轨磨床床身由HT200铸造而成，床身导轨采用双V结构。由于床身的总长度有16m，从铸造、加工等各方面考虑，采用分段加工、装配拼接的结构。MK53160床身分为床身前段、床身中段和床身后段。床身前段和床身中段、床身中段和床身后段都是由6个M36的双头螺栓锁紧。

1.2 划分网格

在SolidWorks中建立MK53160床身的各零部件，并完成床身的整体装配，另存为Parasolid（＊.x＿t）格式，利用ABAQUS提供的与SolidWorks的接口功能，将保存的床身结构模型Parasolid（＊.x＿t）格式文件导入ABAQUS中，这样就完成了对床身实体的建模。定义床身材料HT200，其弹性模量E＝1.48×108Pa，泊松比θ＝0.31，质量密度ρ＝7 250kg/m3。床身由垫铁支撑，可以简化为通过地脚螺栓与地面固定。

考虑到研究目标的三维实体模型的结构复杂性，采用合适的网格划分方法，并且兼顾有限元分析结果的准确性，本文对床身模型进行有限元网格划分时采用精度较高的C3D10M（修正的十节点二次四面体单元）［2］。全局网格大小设置为0.8，划分网格后总节点数为143 637，总单元数为129 592。所得模型如图2所示。

图2 机床床身的有限元模型

2 床身的模态分析

在机床设计过程中，尤其是在结构动力学分析中，模态分析扮演着重要的角色，它主要用于计算模型的固有模态中的两个基本参数：固有频率及其振型。知道了机构的固有频率，一方面可以在设计与改进时使其固有频率避开使用环境中的外部激励频率；另一方面，通过对模态振型的分析，还可以了解部件的弯曲刚度和扭曲刚度的分布情况 ，找出部件结构的薄弱环节和可能破坏的区域，从而为部件的动力学优化设计提供必要的依据［3］。

在模态分析中，因振动被假定为自由振动，所以只有边界条件起作用，而载荷对分析结果并没有影响。设置分析步为线性摄动步（liner perturbation）中的频率提取分析步（frequency extraction）。由于高阶模态的固有频率已远高于实际工况所能达到的激振频率，一般不会发生共振，故只提取前30阶固有频率和振型［4－6］。本文给出机床床身前10阶固有频率见表1，机床床身前3阶振型如图3所示。通过振型可知，各阶的剧烈振动位置也不相同，扭曲程度差异很大。

表1 床身前10阶固有频率Hz

3 结论

通过模态分析可见，机床床身的1阶固有频率为52.42Hz，当激振频率达到固有频率时，其振幅将远远超过其允许的位移量，直接影响其结构性能甚至导致结构的破坏。根据上述分析，可通过以下措施提高机床的抗振性和稳定性：合理布置各段床身内部筋板；改善各连接处的刚度；改善床身结构的阻尼特性；合理选择工艺参数。

今后应选择合适的结构参数，优化机床的床身结构，避免外界环境激振引起的床身共振，提高床身的抗振性和稳定性。

图3 机床床身前3阶振型

［1］朱文军.大型数控车床床身结构的有限元分析［J］.现代机械，2012（2）：9-11.

［2］石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［3］王延忠，吕晓宁.基于ABAQUS的立式加工中心床身的优化设计［J］.机床与液压，2011，39（5）：64-66.

［4］徐洪玉，候中华，肖琪珃.数控铣床振动模态分析［J］.机床与液压，2009，37（2）：189-191.

［5］袁安富，郑棋.基于ANSYS的机床模态分析［J］.计算机工程应用技术，2008（1）：177-180.

［6］张宪栋，徐燕申.基于FEM的数控机床结构部件静动态设计［J］.机械设计，2005，22（5）：30-35.