有一家企业最近研究和开发的一种机床采用的结构是固定工作台，而X/Y轴使用十字滑块。在加工过程中，刀具沿XYZ的三个方向运动，从而可以实现三轴高速运动，同时，工作台可以承受较大的载荷。
为了确保机床具有良好的动态和静态性能并尽可能减轻其重量，必须执行精确的理论计算。在这里，将使用SolidWorks软件对机床支撑架中的梁进行有限元分析，以计算零件的固有频率和振型。
一、当前常用的有限元分析软件及其特点
目前，机械零件的有限元分析一般采用通用有限元分析软件，如ANSYS和MARC。他们拥有丰富完善的单元库、材料模型库和求解器，能够独立完成多学科多领域的工程分析问题。缺点是几何建模功能不足以完成复杂模型的建模。构建的模型需要通过标准数据接口导入，然后进行计算。然而，在模型转换的过程中，经常会出现一些问题，特别是在复杂模型导入后，会丢失一些面和线，无法对模型中的一些特征进行网格划分。因此，模型转换后在有限元软件中修复几何模型需要花费大量的时间和精力，这将不可避免地导致模型不一致，增加额外的工作量。
SolidWorks是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，集成了CAE模块，可以直接对SolidWorks生成的几何模型进行有限元分析。由于SolidWorks具有强大的参数化功能，可以用于有限元分析中的模型优化设计。
二、机床横梁有限元模型的建立和计算
1.建立几何模型（如图1）
图1 几何模型
2.定义材料属性
机床横梁是机床支承件中的重要部件，其在工作时承受十字滑鞍、滑枕和主轴头的巨大压力，必须具有较高的强度，所以材料选为灰铸铁HT300。根据相关资料，HT300的质量密度为7300；弹性模量为1.43ell；泊松比为0.27。
在模型树中右键单击模型名称，在弹出的菜单中点击【材料】→【编辑材料】命令选项，并在其中定义上述材料属性。
3.定义约束和载荷
进入Simulation模块，建立新算例。右键单击夹具，因横梁是固定在底座上，所以设定横梁底面为固定面。
装配线轨，线轨和装配面之间定义为刚性连接，在线轨的滑块面上施加载荷，负载25000N，并叠加重力载荷。
4.划分网格
右键单击【网格】→【生成网格】，进行网格的定义和划分，参数均采用默认。横梁的有限元网格模型如图2所示。
图2 横梁有限元网格模型
5.进行有限元计算
右键单击【算例1】→【运行】，进行分析计算，结果如图3所示。图形显示，应力在安全范围内。
图3 分析结果
最大变形量除去滑块而后就是横梁的中间，变形小于0.007mm，符合设计要求。
三、机床横梁有限元模态分析结果
对机床横梁有限元模型的求解，一般不需要求出振动系统的全部固有频率和振型，由于低阶模态对振动系统的影响较大，因此本文仅计算了前4阶模态。固有频率如表1所示。
表1 固有频率
从计算结果可以看出，固有频率在230Hz以上，该机床采用BT30刀具，正常工作频率较低，可知横梁的刚性基本满足要求，但还可以进一步提高。
首先，本文通过对机床梁的有限元分析，计算出了机床零件的前四阶固有频率和振型。通过模式形状和动画显示，可以直观地分析机床横梁的动态性能，发现零件的薄弱环节，为机床支架的结构设计提供理论依据。
其次，本文提出了使用SolidWorks软件对梁进行模态分析的想法，并通过它实现了实体建模与有限元分析计算的无缝集成，并提高了有限元分析的效率。
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(2021-02-22 14:01:49)