第一章概述1.1课题研究的背景及意义机床是现代制造技术的工作母机，在某种意义上，一个国家机床设计和制造水平的高低，决定着这个国家整个制造业水平的高低。

在信息革命的推动下，现代工业技术发展迅猛。

近年来，各国在信息工业，航空航天工业，军事工业，电子工业，能源工业等领域竞争日益激烈。

随着这些高科技领域日益向高速、高效、精密、轻量化和自动化的方向发展，对机床的要求也越来越高。

现代机床正向高速、大功率、高精度的方向发展。

随着机床向高速度、大功率和高精度方向的发展，除了要求机床重量轻、成本低、使用方便和具有良好的工艺性能以外，而着重要求机床具有愈来愈高的加工性能。

而机床的加工性能又与其动态特性紧密相关。

事实表明，随着机床的加工精度的不断提高，对机床动态特性的要求也愈来愈高。

多年来，由于受到理论分析和测试实验手段落后的限制，机床结构的设计计算主要沿用传统的结构强度为主的设计方法。

传统设计方法主要是保证刀具和工件间具有一定的相对运动关系和满足机床几何精度要求，采用经验和类比的方法进行，设计的主要依据是静刚度和静强度，对机床的动态性能考虑较少。

在利用传统方法进行机床结构的设计计算时，因为不能准确地把握机床结构与其动态特性之间量的关系，所以结构设计的结果常常是以较大的安全系数加强机床结构。

这样的设计方法容易导致机床结构尺寸和重量的加大;其结果一则不能很好发挥材料的潜力，二来机床结构的动态性能也不会有根本的改进提高。

所以，后来科研工作者对机床的动态特性、切削稳定性进行了大量的研究工作，最初是以实物或模型为基础，进行机床性能试验，从中发现规律，分析影响机床动态性能的主要原因，寻求解决问题的方法，处于弄清机理，说明现象的定性阶段。

从二十世纪六十年代中期以来，由于计算机技术、振动理论和结构动力学理论等的发展，为机床的动态性能研究提供了坚实的理论基础和先进的测试手段，使研究进入一个全新的计算机辅助分析和优化设计的定量研究阶段，系统地建立了机床动态特性的研究理论，达到了一定的实用程度，并在不断地深化和发展。

1.2我国基础件现状基础件是机床的重要组成部分。

我的国对机械基础件在机械工业中的重要地位认识较晚，长期投入乏力，致使整个行业基础差、底子薄、实力弱。

随着我国主机水平的提高，机械基础件落后于主机的瓶颈现象日益显现。

近年来，虽然在技术引进、技术改造、科研开发等方面，国家给予了一定的支持，但与当前市场需求及国外水平相比，仍有不少差距。

具体表现在以下几个方面：一、产品品种少，水平低，质量不稳定，早期故障率高，可靠性差。

我国机械基础件产品品种、规格少，特别是高档产品差距较大，不能满足主机日益发展的需求。

目前，各类主机基础件的性能指标大体相当于国外20世纪80年代水平。

质量不稳定，早期故障率高，可靠性差，是基础件的致命弱点。

因此，不少主机厂为提高其主机的市场竞争力，往往选择进口基础件配套。

因而，国产基础件，特别是技术含量较低的产品，国内市场占有率在明显下降。

虽然基础件产品出口有明显优势，但主要是劳动密集型产品，数量大，价值低，技术附加值不高。

二、重复建设严重，专业化程度低，形不成规模，经济效益差。

机械基础件与主机相比，企业建立的初始资金和技术所需投入相对较少，因此在国家几次经济大发展时期，都增加了一批基础件生产企业。

行业中已呈现大量的低水平重复建设，点多、批量小，形不成经济规模。

基础件企业虽然逐渐独立于主机厂，但大多数企业本身就是“大而全”、“小而全”，专业化程度低，装备水平不高，质量不稳定，经济效益低下。

例如，轴承行业哈轴、瓦轴、洛轴三家大型骨干企业年产轴承的总和还不到国外一家著名公司的50％，现在全国轴承厂已发展到1500多家。

近两年来，我国已建成90多个液压件厂，年产液压件338．24万件，平均每个厂生产3．72万件，年产30万件以上的厂家只有2～3家，其主要产品为农机用中小型模数的齿轮泵。

而德国力士乐公司年产各种液压件产品130万件，日本油研（株）年产60万件以上。

粉末冶金制品行业，日本住友电工（株）年产粉末冶金零件2．4万t，年销售额2亿美元，人均销售额约255万元，而我国的粉末冶金制品厂人均销售额仅为7．6万元左右。

工业发达国家模具企业人均产值约15万～20万美元，我国只有4万～5万元人民币。

近年来，随着多种所有制共同发展政策的落实，基础件行业正经历着由分散到逐渐集中的集约化发展过程。

三、科研开发力量薄弱，资金投入不足，技术进步缓慢。

改革开放以来，基础件各行业在20世纪70年代末、80年代初较早地引进了一批国外先进技术，但对消化吸收缺乏足够的软、硬件投入。

据国外经验，引进技术与消化吸收所需资金的比例约为1∶7，而我国对此认识较晚，故使消化吸收较慢。

市场竞争实际上是技术实力的较量。

国外对此极为重视，纷纷加大投入，占领技术的制高点。

各大著名跨国公司用于科技开发的资金均占其销售额的4％～5％，重点领域达10％。

而我国虽然政策规定可以提取销售额的1％用于企业的科研开发，但各厂大都无力支付且人才流失，后继乏人，开发能力差。

目前，我国虽然有不少高等院校从事科研工作，不少理论研究、科研成果、专利论文均有相当高的水平，有些在国际上的知名度很高，但与生产实际结合的不紧，特别是转化成商品的速度慢。

总之，为提高我国机械基础件市场的竞争能力，更好地满足我国机械工业各主机行业技术进步对国产配套基础件的需要，要本着有所为有所不为和有进有退的原则，加大行业战略性调整力度。

在今后的5～10年中，要在发展品牌产品及名牌企业、开展技术创新、提高国内外市场竞争能力和加强集约化经营等方面力争有较大的进展和突破。

差距形成的主要原因有以下几点：一、企业基础薄弱，适应不了形势的发展。

由于我国机械基础件行业基础差，底子薄，科技投入少，开发力量薄弱，不能适应主机行业引进、合资、合作、快速发展的需要，导致机械基础件国内市场占有率有所下降。

二、原材料及其相关技术落后。

机械基础件产品质量差的一个重要原因是原材料质量差及其相关技术落后造成的。

例如：轴承、紧固件、链条、弹簧、模具等产品所使用的钢材质量差、品种规格少，直接影响了基础件产品的质量，又如液压件铸件以及与液压件产品质量相关的电控技术落后，也直接影响液压件质量和可靠性。

三、工艺及工艺装备水平低，不能保证产品质量的一致性。

机械基础件一般都是成批、大量生产的产品，也有多品种、加工精度要求高的产品，因此对生产工艺及其装备要求高，投资大。

国外多采用高效高精度的专机、生产线或柔性线，实现高效自动化生产。

但是我国的机械基础件行业受长期以来形成的“重主机、轻配套”的思想影响，对基础件的投入力度不大，企业自我改造能力差，基本上都是在低水平的状态下运行，工艺和工艺装备水平不高，先进设备少又不配套，不能保证产品质量的一致性，影响产品质量上档次。

四、国家缺乏对机械基础件行业有力的政策支持。

虽然国家在产业政策方面，明确了重点支持重要的机械基础件（模具、轴承、液压、气动、密封件等），但缺少相应的配套政策的支持，如模具行业的税负过重，享受增值税部分返还的企业，全国只有不到百家，面太窄，作用有限，还需要政策继续支持等。

我的题目是对小型龙门加工中心的基础件进行设计与受力分析。

第二章有限单元法基本原理与ANSYS软件简介2.1有限单元法基本原理有限元法是根据变分原理求解数理方程的一种数值计算方法，是一种解决工程实际问题有力的数值计算工具。

它是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机地结合起来的数值分析技术。

有限元法将求解区域看成由许多小的在节点处互相连接的单元构成，其模型给出基本方程的子域近似解。

有限元法把零件划分成大量的足够小的单元，利用插值多项式将欲求的参数(温度或位移)在单元内的变化用单元节点上的该参数表示出来。

用这种离散的模型来近似表示在物体内连续变化的待求参数，再根据变分原理或最小位能原理解得各节点的欲求参数值，可得出各单元的温度或应力。

由于单元子域可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件。

鉴于有限元法能比较准确地描述零件的实际形状、约束条件和受力特征，同时能够应用于解决连续体力学的各类问题，使得有限元方法成为结构分析中必不可少的工具及工程计算的有效方法。

虽然有限法提法首次由Clough于 1960年提出，但有限元分析的概念却可以追溯到20世纪40年代。

1943年，Courant将定义在三角形区域上的分片连续函数，利用最小势能原理研究了 ST.Venant的扭转问题。

然而在这方面发展缓慢，十年后才有人再次应用这些离散化的概念。

1956年Turner.Clough，Martin和Topp等人第一次给出了用三角形单元求得平面力问题的经典正解，他们利用弹性理论的方程求出了三角单元的特性，并第一次介绍了今天人们熟知的确定单元特性的直接刚度法。

他们的研究工作连同当时出现的数字计算机一起开创了求解复杂平面弹性问题的新局面。

1960年clough进一步处理了平面弹性问题后，人们开始认识到有限元法的在工程分析中的方便性，此后有限元法在工程界获得了广泛的应用。

随着计算机技术和计算技术的发展，有限元法也于20世纪70年代迅速发展起来，此间发表了大量的论文，学术交流频繁，期刊、专著不断出现，这些都对有限元法进行了全面而深刻的研究，可以说进入了有限元法发展的鼎盛时期。

涉及的内容有:有限元法在数学和力学领域所依据的理论;单元的划分原则，形状函数的选取及协调性;有限元法所涉及的各种数值计算方法及其误差、收敛性和稳定性;计算机程序设计技术;向其它各个领域的推广等等。

龙门加工中心床身的动态特性分析与优化到目前为止，有限元法己经在固体力学、流体力学、热传导、电磁学、声学、生物力学等各个领域得到广泛应用。

如能求解由杆、梁、板、壳、块体等各类单元构成的弹性(线形和非线形)、弹塑性或塑性问题(包括静力和动力问题);能求解各类场分布问题;还能求解水流管路、电路、润滑、噪声以及固体、流体、温度相互作用等问题。

2.2ANSYS软件的组成及其特点目前常用的有限元分析软件有:ANSYS，NASTRAN，MARC，SAP， ALGOR，ADINA等。

其中ANSYS具有功能比较强大、操作方便、硬件适应性较好，与常用的CAD软件具有良好的接口等优点，是本文的主要建模和分析处理工具。

本文所用软件平台为ANSYS10.O程序，该软件是由美国匹兹堡大学著名力学教授Dr.John Swanson博士主持开发，由Swanson Analysis System Inc.CSASI公司发行的大型通用有限元分析软件应用ANSYS程序，典型的有限元分析工作分为三个阶段:l、前处理阶段前处理是指创建实体模型及有限元模型。