0 引言
高压水射流切割技术又称为水刀,属于冷切割,无局部高温及烧蚀,工件不易发生变形,切缝光滑平整无毛刺,

精度高,并且无粉尘危害,成为集机械设计与制造、自动控制及流体力学等学科为一体的一门新兴综合性学

科。数控机床的整机性能决定了机械产品的精度及加工质量,而横梁立柱是机床主要承重件,其力学性能对

于机床的加工精度将产生较大的影响。[1,2] 传统设计时由于结构复杂,往往采用经验类比法,进行简化计

算,计算结果不够精确,较难满足高压水射流机床高精度技术指标的要求。采用有限元进行分析,可以比较精

确地分析其应力情况及变形大小、方向,发现设计中变形较大、应力集中之处,从而进行优化,并对优化后模

型进行仿真,分析比较优化后结果,通过提高机床性能来提高机械产品加工的质量,可极大降低产品开发过程

中设计及制造的周期及成本。[3]

1 有限元模型的建立
模型来自于某公司开发的“863”项目某型号龙门高压水射流机床。用三维软件Solid Works建立整体模型,

将横梁立柱三维模型保存为Para solid(*.xt)文件,导入有限元Ansys软件。也可以直接在Ansys中采用GUI

指令建模,但对于比较复杂的零件通常采用导入方式。为方便后续优化,此处采用了参数化APDL建模方式。

对于初学者而言APDL参数化建模方式比较前两种建模方式有一定的难度,但是进行优化时可以直接修改相关

参数,非常方便,不需要重新建模,从而节省了很多的工作量。为方便网格划分,建模时进行了合理简化,去除

了一些小圆角及小的螺纹孔,这样减少了网格计算工作量,对于整体分析计算并不会产生大的影响。横梁立

柱部分建立模型如图1所示,以横梁中心为原点,建立坐标系,坐标轴方向中Y轴正方向垂直向上。经综合考虑

结构及性能要求,材料选用Q345及HT250,材料性能如表1所示。

表1 材料属性及许用应力     下载原表

 表1 材料属性及许用应力
2 有限元静力分析
2.1 载荷、约束分析及划分网格
横梁受力可简化为简支梁受力方式,主要受力为重力及切削力。由于水刀工作时属于点切割,切削力相对于

重力很小,可忽略不计,此处仅计算重力,重力加速度取9.8m/s2。[4] 将电主轴和水刀等效成同质量的质量

块,重心坐标值进行转换。工作时电主轴、水刀分布位置变化较大,可分布于横梁两边或偏向一侧,但以电主

轴、水刀均位于横梁中间时受力变形及应力值最大,此处以该种位置进行分析,约束使用全约束。然后选择

合适的单元类型,进行自由网格划分,为保证计算精度及程序运算的收敛性,进行局部细化和调整,加载划分

网格后模型见如图2所示。

 1 横梁立柱有限元模型图
1 横梁立柱有限元模型图   下载原图

 图2 网格划分及加载
图2 网格划分及加载   下载原图

2.2 静力学分析
对模型求解,得到位移云图及应力云图,如图3-6所示。

 图3 位移云图(X方向)
图3 位移云图(X方向)   下载原图

 图4 位移云图(Y方向)
图4 位移云图(Y方向)   下载原图

 图5 位移云图(Z方向)
图5 位移云图(Z方向)   下载原图

 图6 应力云图
图6 应力云图   下载原图

从应力云图可以看出应力最大为41.14MPa,主要集中在靠近两边立柱的滑块导轨接触处、横梁与横梁过渡箱

接触内侧、横梁立柱与横梁过渡箱接触内侧这几个部分。由于立柱屈服强度为250 MPa,取安全系数为3,最

大应力41.14 MPa远小于许用应力83.3 MPa,应力校验合格,可以看出原设计趋于保守,具有一定的优化空间

。

比较X、Y、Z三个方向位移云图,最大变形量中Y方向最大,达到-0.303mm,即垂直向下变形量最大,由于横梁

长度8 010 mm,最大变形量相对较小,最大变形校验合格,但为提高横梁刚度,横梁变形可尽量降低。

3 结构优化
横梁属于大件,考虑结构优化时最好能保证刚度的同时减轻重量,可以达到轻量化的目的,节省材料,降低成

本。横梁原始结构如图7所示。横梁内有筋板,原筋板开口尺寸为500mm×600mm,截面图在ANSYS软件中以最

小体积(即重量)为目标函数,筋板厚度、筋板尺寸等为设计变量,进行优化分析,得到横筋板数量为9块,厚度

取6.1 mm,筋板开口尺寸由原来的500mm×600mm调整为600mm×700mm。

 图7 横梁结构
图7 横梁结构   下载原图

APDL程序中部分命令流如下:

此处直接在参数中修改筋板开口尺寸参数L4、L5为700、600即可建立修改后的模型,然后用有限元进行分析

,结果对比如表2所示。

表2 优化结果比较     下载原表

 表2 优化结果比较
从表2可以看到,开口改变以后最大位移及最大应力变化较小,远小于许用应力值,但质量减小了160 kg。质

量的降低将减轻构建自重,而去最大应力并没有较大降低。同理,还可以修改与立柱焊接板长度L6尺寸,或修

改筋板厚度t4等参数,就可以非常方便地得到新的模型,分析优化后的结构及静力学特性,与原结构特性比较

可以得到优化后效果。

4 结束语
本文依据企业设计的三维模型,通过APDL建立了横梁立柱的有限元模型,进行了静态变形研究,得到变形及应

力云图,显示了其应力及位移分布。通过修改结构参数,进行结构优化,在保证性能前提下实现轻量化设计,

有利于降低成本。除了静态性能研究,机床的动态性能对于机床加工精度影响也不可忽视。可进一步对横梁

立柱模态性能进行分析,静动态分析结果可为进一步整机优化提供设计依据,也可为相似龙门机床大件设计

提供一定的借鉴。