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树脂混凝土机床立柱的结构设计及性能仿真

李有堂 吴荣荣 黄华 汤雷武

李有堂, 吴荣荣, 黄华, 汤雷武. 树脂混凝土机床立柱的结构设计及性能仿真[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(2): 192-198. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200325
引用本文: 李有堂, 吴荣荣, 黄华, 汤雷武. 树脂混凝土机床立柱的结构设计及性能仿真[J]. 机械科学与技术, 2022, 41(2): 192-198. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200325
LI Youtang, WU Rongrong, HUANG Hua, TANG Leiwu. Structure Design and Performance Simulation Analysis of Resin Concrete Machine Tool Column[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(2): 192-198. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200325
Citation: LI Youtang, WU Rongrong, HUANG Hua, TANG Leiwu. Structure Design and Performance Simulation Analysis of Resin Concrete Machine Tool Column[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2022, 41(2): 192-198. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200325

树脂混凝土机床立柱的结构设计及性能仿真

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200325
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51965037

详细信息
    作者简介:

    李有堂(1963-), 教授, 博士生导师, 研究方向为抗疲劳设计与应用, 产品创新设计等, liyt@lut.cn

  • 中图分类号: TH122;TH145.9

Structure Design and Performance Simulation Analysis of Resin Concrete Machine Tool Column

  • 摘要: 传统的以铸铁或钢材为主的机床构件的性能优化已接近极值,而高速高精的加工对机床性能的要求进一步提高,树脂混凝土材料在机床基础件中的应用得到了广泛的关注。以CK5116数控机床为例,根据等价截面原则,设计了树脂混凝土材料的立柱模型,应用有限元方法对其进行静态分析、模态分析和谐响应分析,并与传统的铸铁材料机床立柱的分析结果进行对比。结果表明:同铸铁材料机床立柱相比,树脂混凝土材料机床立柱满足了轻量化的设计要求,且静刚度有所提升,其最大响应振幅在X轴、Y轴、Z轴的振幅缩减率依次为:55.18%、77.27%、20.88%。从而证明树脂混凝土机床立柱具有更优越的抗振性能。
  • 图  1  铸铁立柱模型图

    图  2  树脂混凝土立柱模型图

    图  3  立柱截面划分

    图  4  网格划分

    图  5  立柱等效应力云图

    图  6  立柱变形图

    图  7  树脂混凝土材料立柱的各阶模态振型图

    图  8  各方向频率-振幅曲线

    表  1  数值混凝土材料主要性能参数

    抗压强度/MPa 抗拉强度/MPa 弹性模量E/GPa 泊松比 密度/(kg·m-3)
    162.9 34.9 43.7 0.213 2.65×10-6
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    表  2  CK5116数控机床铸铁立柱主要尺寸 mm

    L1 l1 L2 l2 L3 L4 B1 b1 B2 b2 B3 B4 b3
    1 410 605 810 687 100 100 800 730 400 35 35 100 35
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    表  3  CK5116数控机床树脂混凝土立柱主要尺寸 mm

    L l B b
    1 410 1 110 800 500
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    表  4  不同材料立柱性能与材料参数

    立柱材料 密度/(g·cm-3) 质量/kg 截面惯性矩I/mm4 断面刚度系数EI/(N·m-1) 弹性模量/GPa 泊松比
    铸铁 7.35 2 000 1.51×1010 1.812×109 120 0.27
    树脂混凝土 2.65 1 537 4.87×1010 2.128×109 43.7 0.213
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    表  5  两种立柱各阶模态振型固有频率

    阶数 固有频率 阶数 固有频率
    铸铁/Hz 树脂混凝土/Hz 变化率/% 铸铁/Hz 树脂混凝土/Hz 变化率/%
    1阶 61.164 85.241 39.36 4阶 101.92 261.21 156.28
    2阶 89.382 132.52 48.26 5阶 124.89 270.48 116.57
    3阶 97.013 171.63 76.91 6阶 129.31 282.04 118.11
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    表  6  最大响应振幅

    方向 响应振幅
    铸铁/mm 树脂混凝土/mm 变化率/%
    X 2.70×10-3 1.21×10-3 55.18
    Y 7.79×10-2 1.77×10-2 77.27
    Z 1.82×10-2 1.44×10-2 20.88
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  • 收稿日期:  2020-07-30
  • 刊出日期:  2022-02-25

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