龍門加工中心機橫梁模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
　　
　　1.橫梁模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　根據(jù)材料力學(xué)理論可知，純扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的剪應(yīng)力是成對出現(xiàn)的，大剪應(yīng)力出現(xiàn)在與主平面成45°和135°的平面上，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計時把筋板布置在與主平面成45°和135°的平面上，用來承受扭轉(zhuǎn)載荷的作用，可以提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。如圖10所示，作用在對角筋板上的橫向和縱向剪應(yīng)力，分別在筋板方向和垂直筋板方向分解，垂直筋板方向的兩個力分量大小相等，方向相反，互相作用，限制筋板扭轉(zhuǎn)變形。而沿筋板方向力的分量如圖11所示，表現(xiàn)為沿筋板方向的拉壓。

　　由前面對原結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析結(jié)果可知，橫梁抗扭剛度的提高對機床整機性能的改善十分重要，根據(jù)上面提到的對角筋板抗扭理論，將橫梁內(nèi)部的縱向筋板改為雙X型，為了充分發(fā)揮縱向筋板的抗扭性能，筋板布置角度應(yīng)盡量與水平面成45°和135°方向。再考慮到橫梁的階振型為前后方向的彎曲，為加強該方向剛度的彎曲剛度，在橫梁中間位置布置一根水平筋板，修改后橫梁縱向筋板的形式如圖12所示。

　　再根據(jù)上面提出的筋板布置理論，在橫梁內(nèi)部設(shè)計了一對斜支撐形式的筋板。后得到的橫梁筋板形式如圖13所示。橫梁外形尺寸與原結(jié)構(gòu)相同，橫梁外壁板厚度保持25mm，筋板厚度由原來的20mm調(diào)整為15mm，橫向筋板布置保持原來形式。

　　2.性能對比分析

　　(1)原橫梁與修改后橫梁模態(tài)分析比較。

　　考慮到機床的實際工作頻帶，可以認為橫梁的前2階模態(tài)特性對整機結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能有著重要作用。表2為原橫梁結(jié)構(gòu)與改進后的橫梁結(jié)構(gòu)分析結(jié)果比較。改進后橫梁第1階和第2階固有頻率較原橫梁結(jié)構(gòu)均有一定提高。根據(jù)(式中為第n階固有頻率，分別為對應(yīng)的模態(tài)剛度和模態(tài)質(zhì)量)可知，改進后的橫梁對應(yīng)的模態(tài)抗扭剛度有了顯著提高，并且原橫梁結(jié)構(gòu)中對整機動態(tài)性能有重要影響的第2階扭曲振型，在改進后的結(jié)構(gòu)中變?yōu)榈?階振型，該階振型的固有頻率值提高了13.9%，因此改進后的結(jié)構(gòu)達到了提高橫梁動態(tài)性能的優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)。

　　(2)原整機模型與新橫梁整機模型靜態(tài)分析比較。

　　把改進后的橫梁與其他原機床零部件進行重新裝配，得到新橫梁整機結(jié)構(gòu)模型，對該模型進行靜力分析和動力分析。表3為原整機模型與新橫梁整機模型靜態(tài)分析比較。從分析結(jié)果可以看出橫梁在自重減輕了4.2%的情況下，通過內(nèi)部筋板的合理布置，整機的靜態(tài)性能不僅沒有減弱，反而在3個方向均有一定的提高，特別是Z向靜剛度值提高了7.4%左右。

　　(3)原整機模型和新橫梁整機諧響應(yīng)分析比較。

　　進行諧響應(yīng)分析，把分析結(jié)果和原整機模型的諧響應(yīng)分析結(jié)果進行比較，得到圖14。可以看出橫梁經(jīng)過優(yōu)化后得到的新橫梁整機結(jié)構(gòu)在40～140Hz的諧振力作用下，振幅比原整機模型有所下降。但是在共振點振幅下降不明顯，這是因為結(jié)構(gòu)在共振點處的振幅主要是由結(jié)構(gòu)的阻尼決定，而不是由動剛度決定。諧響應(yīng)分析也可以看出新結(jié)構(gòu)比原整機模型的各個共振點頻率均有所提高，這也證明了模態(tài)分析結(jié)果的正確性。從上面動、靜力學(xué)分析結(jié)果可以看出，橫梁新結(jié)構(gòu)使整機動態(tài)性能有一定的提高。并且這里提出的斜支撐筋板結(jié)構(gòu)已經(jīng)在其他機床的橫梁中得到應(yīng)用，使用后效果明顯。更多關(guān)于龍門加工中心的資訊請見：http://www.yxskkj.com.cn