[发明专利]五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法

说明书

本发明提出一种五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法，首先对机床各类结合部进行节点规划、对机床各子结构进行有限元前处理，建立其有限元模型；然后将各子结构有限元模型导入同一有限元文件；再通过变换局部坐标系将机床有限元模型调整至目标位姿；最后利用弹簧阻尼模型建立机床各类结合部即可得到目标位姿下的机床有限元模型。本发明可通过输入位姿文件的方式，实现机床工作空间任意位姿下有限元模型的自动生成，提高了有限元建模效率，为五轴动梁龙门立式铣床工作空间全域位姿的静动态特性分析提供了高效解决方案。

技术领域

本发明涉及机械设备建模领域，尤其涉及一种五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法。

背景技术

五轴动梁龙门立式铣床是一种用于加工盘类、轴类等大型复杂零件的高端机床，具有承载重量大、加工行程大和加工精度高等特点，常用于航空航天、航海和军事工业等领域。由于此类机床用于复杂零件的高精加工，所以在结构上要求有较高的静刚度与抗振性，在设计阶段需要对其进行静动态特性分析。

随着计算机运算能力的提升，有限元技术在结构静动态特性分析领域得到了广泛的应用。鉴于此类机床静动态特性随机床位姿的改变而变化较大，所以需对其工作空间全域位姿进行有限元分析。机床由立柱、顶梁、动梁、溜板、滑枕和摆转铣头等部件构成，结构复杂，因此人工建立其工作空间各个位姿有限元模型的工作量巨大，建模效率低。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法，可通过输入位姿文件的方式，实现机床工作空间任意位姿下有限元模型的自动生成，显著提高有限元建模效率。

其首先对机床各类结合部进行节点规划、对机床各子结构进行有限元前处理，建立其有限元模型；然后将各子结构有限元模型导入同一有限元文件；再通过变换局部坐标系将机床有限元模型调整至目标位姿；最后利用弹簧阻尼模型建立机床各类结合部即可得到目标位姿下的机床有限元模型。本发明可通过输入位姿文件的方式，实现机床工作空间任意位姿下有限元模型的自动生成，提高了有限元建模效率，为五轴动梁龙门立式铣床工作空间全域位姿的静动态特性分析提供了高效解决方案。

本发明具体采用以下技术方案：

一种五轴动梁龙门立式铣床多位姿有限元建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：结合部节点规划：根据有限元模型所需位姿变化步长和结合部类型，对结合部节点的位置分布与数量进行规划，并依照规划在机床各子结构几何模型对应位置建立硬点(HARD POINT，网格划分时会在硬点位置强制生成节点)；

步骤S2：网格划分：设置材料参数与单元类型，使用自由划分方法对机床各子结构几何模型进行网格划分，将各子结构有限元模型的节点和单元设置为组件(COMPONENT)并分离有限元模型与几何模型；

步骤S3：组装有限元模型：将各子结构有限元模型导入同一有限元文件，并连接机床中所有的固定结合部，组装为初始的待调整位姿的整机有限元模型；

步骤S4：在位姿文件中输入目标位姿下机床各部件的位置及转角；

步骤S5：调整位姿：根据步骤S4中输入的位姿参数建立各部件目标位姿下的局部坐标系C_n’，并将各部件由对应初始坐标系C_n0移动至对应局部坐标系C_n’，移动之前部件中各节点在初始坐标系C_n0中的坐标值与移动之后其在对应局部坐标系C_n’中的坐标值相同；

步骤S6：建立结合部及施加约束：根据步骤S1中结合部节点规划，选取相应节点创建弹簧阻尼单元并赋予其相应的刚度阻尼值；约束机床地脚螺栓处的节点自由度。

优选地，在步骤S1中，对结合部节点的位置分布与数量进行规划应满足以下条件：