利用ANSVS的数控车床尾座箱体分析及优化论文数控车床尾座是机床的重要组成部分，起到夹紧定位工件的作用，它的静动态特性对机床加工精度及稳定性有直接影响。一般采取结构优化的方式来提高尾座的静态及动态特性，以提升尾座工作性能和稳定性。重型数控车床加工不同零件时，尾座需要来回运动完成夹紧、定位工件的任务，这就要求尾座质量适中，以便加大机构的灵活性。本文以HTC100型数控车床尾座箱体为例，通过UG建立精确的实体模型，利用ANSYSWorkbench软件对其进行有限元特性分析，根据分析结果进行拓扑优化，为尾座箱体的合理设计提供一种可行性的参考。1在ANSYSWorkbench中设置材料属性、划分网格HTC100卧式数控车床尾座由灰铸铁HT300铸造而成，在ANSYS软件中进行有限元分析之前必须设置材料属性，HT300的弹性模量为143GPa，泊松比为0.27，密度为7340kg/m3。划分网格是有限元分析中关键环节，本文选用ANSYS12.0Workbench中提供的四面体网格划分法(Tetrahedrons中的PatchConforming法)对尾座箱体模型进行网格划分。选该方法最主要的两点理由：1)网格划分快速，适用于形状复杂的几何体。2)在关键区域能适应近似尺寸进行细化。网格划分后得到的有限元模型如图2所示，模型的节点数为56793，单元总数为33014。2施加边界条件对尾座箱体进行静、动力学分析必须在ANSYSWorkbench中对箱体施加边界条件，包括箱体受到的力及转矩，以及确定箱体的支承表面。尾座箱体内部受力主要来自零件自身重力，其中顶尖、套筒、轴、齿轮等主要零件重力通过在UG软件自身“质量特征”功能获得。尾座箱体除受到内部零件重力外，还有加工过程中通过顶尖传递的切削力及力矩。现以加工长轴零件为例，根据厂家给出的`经验数据，尾座对工件的夹紧力为5.28kN，车床所能提供的最大切削力为60kN，通过计算主切削力Fc=53.4kN，背向力Fp=18.6kN，进给力Ff=20.4kN。受力分析后得到箱体受到顶尖传来的力及力矩分别为：Fx=560N、Fy=1572350N、Fz=15120N、M=8811N·m，方向为绕Z轴逆时针方向。将这些力及力矩施加到箱体各个表面。尾座箱体整体固定在机床床身上，因此箱体底部接触表面受到固定约束。4有限元分析4.1静力学分析尾座箱体的静力学分析是计算在固定不变的载荷作用下，箱体的位移与应力，它不考虑阻尼与惯性的影响。其分析结果对箱体的结构优化有重要参考价值。对尾座箱体进行静力学分析，箱体的最大位移为1.23×10-4m，最大应力为4.44×107Pa。由计算结果可以看出箱体的最大位移数值较小，能满足加工精度需求。HT300的极限应力为300MPa，尾座箱体的最大应力远远小于材料的极限应力值，箱体刚度满足要求，因此有进一步进行优化的可能。4.2模态分析机床在加工过程中，受到噪声与振动相互作用，产生周期性变化的激振力。这种激振力的频率与结构的固有频率相同或成整数倍时，容易引起共振，降低机床加工精度及稳定性。由于重型数控车床存在振动、噪声大等问题，因此很有必要对尾座箱体进行模态分析。在ANSYS中对箱体进行模态分析后得出箱体的前6阶模态如表1所示。HTC100型数控车床的主轴设计最高转速为200r/min，频率为3.33Hz。数据可以看出作用在尾座的激振力频率远远小于尾座箱体自身前6阶频率。不会发生共振现象，对工件加工精度影响不大。5优化5.1运用Workbench进行优化拓扑优化实质上是指在结构受到给定约束情况下，为了使目标量(总体刚度、自振频率等)稳定而寻求结构材料使用的最佳方案。利用ANSYSWorkbench中“ShapeOptimization”功能对尾座箱体进行拓扑优化。施加边界条件后，优化目标设置为5%，进行求解运算。5.2根据分析结果进行优化设计由于分析结果中可切除区域分布不规则，在实际加工中必须考虑应力分布及工艺的复杂程度。因此不能把可切除区域全部切除。在SolidWorks中以规则几何形状大致切除可切除区域，质量减少1250.4kg，对优化方案进行有限元分析，其位移、应力可以看出优化后箱体的最大位移是1.2×10-4m，最大应力是4.65×107Pa。材料的极限应力仍然远远大于箱体的局部最大应力，位移数值也相对较小，对加工精度影响不大。6结论1)利用有限元软件对产品进行分析可以节省厂家制造样机、实验测试的成本。在软件环境里运算得到产品的主要性能，为产品设计提供优化的结构及尺寸，这种新型的优化设计将会在未来机械设计加工过程中逐渐成为主流。2)利用Workbench对尾座箱