作者：暂无
来源：《智能制造》 2017年第6期
本文为减轻机床重量，降低机床成本，将铸铁床身改为混凝土床身结构。对混凝土床身进行受力分析和有限元分析，对床身薄弱环节进行合理的加筋处理，再进行有限元分析，得到满足机床切削要求和机械性能的混凝土床身。
一、机床简介1. 床身受载情况为减轻机床重量，降低机床成本，将铸铁床身改为混凝土床身结构，安装直线导轨或镶钢导轨。为保证强度，满足机床的机械性能和车削要求，需要对混凝土床身进行有限元分析，出薄弱环节，对薄弱环节进行特殊处理。图1 为机床主要部件分布图，机床床身受力情况分析如图2 床身受载图所示，床身主要受力分为两部分：一部分是受到主轴箱和尾座以及工件重力作用；另一部分切削时切削反力通过刀架对床身的作用。其中主轴箱和尾座因与床身直接接触，其重力直接作用于自身所处位置的床身导轨上，其中主轴箱重力为20000N，尾座重力为9000N；工件重力分别由主轴箱卡盘和尾座承担，将其均分，即主轴箱和尾座各承担1/2的重力，即3000N，该力间接作用于床身；切削反力直接作用于刀架，为简便起见，将切削力分解为水平方向切削力和垂直向下的压力。
引航员软梯
2. 影响床身受载的主要参数（1）主轴转速范围：3 ～ 300rpm；（2）主轴最大扭矩：12KN·m；（3）最在承重工件重量：6t；（4）刀架最大切削力：4.5t，按两个方向的力进行分解。3 主要部件材料信息机床主轴箱、尾座以及刀架均为铸铁，材料为Q345B，fy=345MPa，泊松比为0.3，其余筋板材料均为Q235B，fy=235MPa，泊松比为0.3，弹性模量E=206000MPa。考虑到该项目中要求结构件在工作状态中处于弹性状态，因此计算时铸铁材料本构关系选取双折线随动强化模型，应力-应变关系分为弹性阶段和塑性阶段，塑性段的斜率取为初始弹性模量的0.01 倍，即0.01E=2060MPa。应力- 应变关系模型如图3 所示。 对于床身混凝土强度等级按C30 选取（注：C30 的配比参考方案，水：175kg，泥：461kg，砂：512kg，石子：1252kg，配合比为0.38 ∶ 1 ∶ 1.11 ∶ 2.72 ）。
其应力- 应变本构模型按照《混凝土结构设计规范（GB50017-2014）》中给出的本构模型选取，具体材料本构关系如下。（1）受压骨架线，受压骨架线计算公式如式（1）所示，示意图如图4 所示。混凝土单轴受压应力- 应变曲线的参数取值如表1 所示。
（1）式中：αc—混凝土单轴受压应力- 应变曲线下降段参数值，按表1 取用；fc,r—混凝土单轴抗压强度代表值，其值可根据实际结构分析的需要分别取fc、fck 或fcm；εc,r—与单轴抗压强度fc,r 相应的混凝土峰值压应变；dc—混凝土单轴受压损伤演化参数。（2）受拉骨架线，受拉骨架线计算公式
如式（2）所示，如图4 混凝土模型示意图所示。混凝土单轴受拉应力-应变曲线的参数取值如表2 所示。
（2）式中αt—混凝土单轴受拉应力- 应变曲线下降段参数值，按表2 取用；ft,r—混凝土单轴抗拉强度代表值，其值可根据实际结构分析的需要分别取ft、ftk 或ftm；εt,r—与单轴抗压强度ft,r 相应的混凝土峰值压应变；dt—混凝土单轴受拉损伤演化参数。表2 混凝土单轴受拉应力- 应变曲线的参数取值fc,r（N/mm2）1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0εc,r（10-6） 65 81 95 107 118 128 137αc 0.31 0.70 1.25 1.95 2.81 3.82 5.00图4 混凝土模型示意图
二、床身有限元分析1、ABAQUS 有限元建模ABAQUS 是功能强大的有限元软件，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，模拟非常庞大复杂的模型，处理高度非线性问题。ABAQUS 不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以完成系统的分析和研究。由于ABAQUS 强大的分析能力和模拟复杂系统的可靠性，它在各国的工业和研究中得到广泛的应用，在大量的高科技产品开发中发挥这巨大的作用。根据机床的装置特征，该装置总体包括四个主要部件：主轴箱、刀架、尾座以及床身，在ABAQUS 中，所有部件均采用三维实体单元C3D8 建模，可以真实的模型整个结构和局部子构件的受力性能，包括应力、应变以及位移等状态，可以直观的反映结构的薄弱环节，为实际加固改造提供方案。2、床身为素混凝土材料下的有限元分析（1）Mises 应力分析。图5 混凝土Mises 应力云图给出了整个机床的受力Mises 应力云纹图，其中（a）为整体Mises 应力云图，（b）为混凝土床
身受力云图。由图5（a）可以看出，在中间的刀架上由于存在一向外的水平力，使得该处发生应力集中，最大应力值为16.2MPa，其余各部分应力相对较小。图5（b）为混凝土床身的应力分布示意，可以看出，混凝土床身最大应力为刀架和混凝土的接触面处，其值约为2.43MPa，该处混凝土发生压碎现象，其余部位混凝土应力相对较小。（a）整体Mises 应力云图（b）混凝土床身Mises 应力云图图5 混凝土Mises 应力云图为了分析当床身为混凝土时，机床床身在外荷载作用下的最不安全（最容易破坏）部位，有必要对每个应力分量进行计算。图6 混凝土Mises 应力分量云图所示为混凝土床身Mises 应力分量计算结果，其中（a）为沿着X 方向的应力分量，（b）为沿着Y 方向的应力分量。可以看出，在水平力的作用下，使得刀架下部混凝土受力不均匀，载荷作用端为受压状态，而远端为受拉状态，而混凝土工作中基本不考虑其受拉作用，因为该类材料一旦受到拉应力，立即开裂，而且裂缝会发展直至贯通整个截面。由图6（a）应力云图可以看出，其沿着X 方向的S11=1.38MPa，图中红部位将产生沿着床身长边方向的横向裂缝，这在结构中是不安全的，应进行加固处理。同样由图6（b）可以看出，红区域存在Y 方向的应力分量，其值约为1.44MPa，超过了我国混凝土规范中混凝土抗拉强度设计值，因此，对该部分应进行加筋处理，使其在上述荷载作用下满足相应的规范要求和使用要求。
（2）变形分析。图7 所示为混凝土床身的变形云图，可以看出由于混凝土材料具有良好的受压承载力，混凝土的变形很小。图7中红区域是由于水平分力产生的俯冲变形，由于混凝土为脆性材料，因此易被压碎。
硬质合金车刀
图7 混凝土床身变形云图三、对混凝土床身进行加筋处理1、加筋方案由上文分析可知，当床身为素混凝土时，刀架底部床身混凝土边缘易发生压碎破坏。为了保证机床的正常工作，必须对混凝土床身进行加筋处理。现根据床身的特征和受力情况，进行以下三个方面的加筋处理，以保证机床床身的性能要求。（1）对混凝土床身设置钢筋笼，包括四角的受力纵筋和箍筋，其中四根受力钢筋采用二级带螺纹钢筋，直径为18mm，箍筋采用一级光圆钢筋，直径为8mm，沿着混凝土长边方向间距为200mm。（2）在主轴箱和尾座与混凝土床身上的接触表面层设置一层钢筋网片，钢筋采用一级光圆钢筋，直径为8mm，横向间距为120mm，纵向间距为200mm。
（3）为了将刀架的水平切削力传力到整个混凝土床身，避免刀架所接触的混凝土床身被压碎，在刀架行程范围的混凝土床身上设置四根通长的预埋件，其直径为为28mm，并且沿着高度方向设置3 道箍筋进行约束。三种加筋方案中，通过对混凝土床身中的预埋件进行有限元分析，预埋件承担的应力是最大的，约为16.5MPa。
其次为钢筋笼，约为11.7MPa，钢筋网片的应力相对较小，约为9.9MPa。因此，在混凝土床身设置上述三种加筋方案，能够较好的避免混凝土由于水平荷载作用的开裂和局部压碎现象。
2. 混凝土床身加筋后有限元分析（1）加筋后Mises 应力分析。图8 给出了Mises 应力云图，其中（a）为机床整体应力分布，（b）为加筋后混凝土床身应力分布。由图8（a）可以看出，在中间的刀
架上由于存在一面外的水平力，使得该处发生应力集中，最大应力值为16.5MPa，其余各部分应力相对较小。图8（b）为混加筋后的应力分布示意，可以看出，相对于加筋前的素混凝土，加筋后混凝土的整体应力分布比较均匀，没有出现由于局部应力过大造成的开裂或者局部压碎现象，其中内部锚杆承受了大部分水平荷载，其应力值约为16.5MPa，整个混凝土床身受力安全。（2）加筋后混凝土床身Mises 应力分量分析。图9 所示为加筋后混凝土Mises 应力分量云图，其中（a）为S11 应力分量（沿着X 方向），（b）为S22 方向应力分量（沿着Y 方向）。可以看出，混凝土床身应力沿着X 方向和Y方向帆布均比较均匀，没有出现第一种计算结果中的开裂等问题，说明加筋后混凝土床身具有良好的承载能力。（b）混凝土S22 应力分量云图图9 加筋后混凝土Mises 应力分量云图（a）混凝土S11 应力分量云图
四、结语通过对混凝土床身中的预埋件进行有限元分析，发现在混凝土床身设置上述三种加筋方案，能够较好地避免混凝土由于水平荷载作用的开裂和局部压碎现象。对加筋后Mises 应力分析，加筋后混凝土的整体应力分布比较均匀，没有出现由于局部应力过大造成的开裂或者局部压碎现象，其中内部锚杆承受了大部分水平荷载，其应力值约为16.5MPa，整个混凝土床身受力安全。
对加筋后混凝土床身Mises 应力分量分析，混凝土床身应力沿着X 方向和Y 方向帆布均比较均匀，没有出现开裂等问题，说明加筋后混凝土床身具有良好的承载能力。将铸件床身改为混凝土床身，通过对混凝土床身有限元分析后设置三种加筋方案，加筋处理后再次进行有限元分析，理论分析满足机
网络对时
管式反应器床加工性能的要求，同时减轻机床重量，降低机床成本，对机床来讲是一个挑战，也是一个新思维，需要我们在实践中进一步验证和完善。IM
排气歧管
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议