研究·开发
基于Abaqus的高速立式加工中心立柱冲击振动研究＊
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王延忠1
□
吕晓宇1
□
孙红梅1
□
刘
北京
强1
100191北京
□
100027
高琦2□沈华红2
1．北京航空航天大学机械学院
2．北京机电院高技术股份有限公司
摘
要：以BVG系列高速立式加工中心的立柱为对象，通过有限元分析软件Abaqus，研究立柱在不同冲击载荷作用
Abaqus
冲击振动
文献标识码：A
文章编号：1000－4998(2010)09－0024－03
时间下的振动衰减、变形、应力变化情况，为机床减少振动、提高机床加工性能提供理论参考。
关键词：立柱
中图分类号：TH113．1；TB122
Abstract:TakingthecolumnoftheseriesBVGhigh－speedverticalmachiningcenterasanexample，theresearchontheimpactvibration，deformationandstressvariationunderdifferentimpactloadsiscarriedoutwiththehelpofthefiniteelementanalysissoftwareAbaqus，thusprovidingthetheoreticalguidanceforreductionofvibrationandimprovementofmachiningperfor-mance．
KeyWords:Column
Abaqus
ImpactVibration
机床振动是加工过程中不可避免的，它不仅使工件和刀具的相对位置发生变化，影响加工精度，而且加速了刀具磨损，进一步影响加工精度，同时还产生污染环境的噪声。研究表明，机床的加工质量在很大程度上取决于机床所产生的振动，特别是高速、高精度的机床，振动对其影响尤其明显，因此，机床振动是机床动态特性研究的首要问题[1]。BVG系列高速立式加工中心是北京机电院研制开发的一种轻型龙门式高速铣床，工作台实现一个直线轴，主轴实现两个直线轴的运动，定位精度为：X：0．010mm，研究机床立柱在切削载荷不同作用时Y、Z：0．008mm。间条件下的振动及衰减情况，可为提高机床加工性能提供理论性指导及建议。网格划分方式，并采用单元精度较高的10节点修正二次四面体单元C3D10M对立柱进行网格划分，模型总节点数46667，单元数2305。定义立柱与床身的连接表面为完全固定约束(如图2所示)。1有限元模型的建立
利用Pro/E建立立柱的三维模型，为减少计算量，提高计算精确度，对模型进行适当简化。1）去掉结构中存在的小倒角和小圆角（R5及以下的圆角简化为直角，R5以上的圆角按实际尺寸保留）；2）去掉结构中存在的小台阶以及对分析影响不大的凸台；3）去掉次级安装孔及部件上各个附件的安装面。简化后，模型如图1所示。将简化好的模型导入Abaqus软件，定义材料属性为铸铁，密度ρ为7200kg/m3，弹性模量E为210采取自由GPa，泊松比μ为0．28。立柱模型较为复杂，＊国家科技重大专项项目(编号：2009ZX04001-012-02)收稿日期：2010年4月
2立柱的模态分析
在结构动力学分析中，模态分析扮演着重要角色，它主要用于计算模型的固有模态的两个基本参数：固有频率和振型。它们表明了系统自由振动的特性，是系统固有的。参考结构的固有频率，一方面可以在设计与改进时使结构的固有频率避开其在使用过程中的外部激励频率；另一方面，通过对模态振型的分析，了解部件的弯曲刚度和扭转刚度的分布情况，找出部件结构的薄弱环节和可能的破坏区域从而为部件动力学优化设计提供必要的依据。设置Abaqus的分析步类型为频率，提取立柱的前立柱的一、二阶振型如图3、30阶固有频率值。4所示。立柱的前10阶固有频率见表1。立柱在切削力冲击作用下的主要运动方向是沿Z242010/9
机械制造48卷第553期研究·开发
表1立柱前10阶固有频率值
模态阶数频率/Hz模态阶数频率/Hz
1．86311．3
2106．57391．9
3107．78420．5
4244．79467．2
5281．910491．4
方向（切削力方向）的移动，经有限元计算得，沿此方向前30阶模态激发的总质量是1．5t，立柱总质量为1．656t，激发质量占总质量的90．6%，在主运动方向上的总有效质量超过模型中可运动质量的90%，因此可以认为在频率提取上提取了足够数量的模态。时，立柱沿X方向变形在0．25s之后衰减为零，在0～0．055s时间内沿X负方向变形，最大变形量发生在第0．007s节点2位置，最大变形量为1．1μm，0．055～0．25s朝X正方向变形，最大变形发生在第最大变形量为0．9μm。0．054s节点4位置，任意选取立柱导轨上的一个单元，提取它的应力变化情况，如图7所示，当冲击载荷作用时间为0．05s时，最大应力发生在0．01s0．20s之后应力逐渐衰减为0，时，最大应力值为0．18MPa。综合所有分析结果，统计结果见表2。3
3．1立柱的瞬时模态动态分析
定义模态动力学态分析步，确定阻尼系数立柱的前30阶固有频率中，最高频率值是992Hz，相应的周期是1/992=0．001s，选定时间增量值应小于最小周期，此处取为0．0005s。为了观察振动衰减情况，定义分析步总时间为1s。阻尼系数很难确定，通常需要试验研究。此处选用直接模态阻尼，根据经验，一般选取阻尼系数为临界阻尼系数的5%，为了更好地观察立柱的衰减过程，定义前15阶模态阻尼系数为4%，后15阶为5%。3．2定义切削载荷选取特定的铣刀，经理论计算得高速立式加工中心在铣削过程中的最大切削力为9402N，此处认为单个立柱所承受的切削载荷为总载荷的一半，即4701N。立柱受切削力的冲击频率是由刀具齿数及主轴转速决定的。根据切削条件的不同，此处研究当切削力的瞬时冲击作用时间分别为0．05s、0．10s、0．20s时立柱的振动衰减情况。3．3定义用于历史输出的集合为了减少计算量，此处定义导轨上的4个节点作定义的4为一个集合，Abaqus仅输出此集合的位移量，个节点及相应位置如图5所示。3．4计算结果当冲击载荷作用时间为0．05s、0．10s、0．20s时，分别提取4个节点在X、Y、Z三方向上的衰减时间及最大位移。如图6所示，当冲击载荷作用时间为0．05s4结论
通过上述分析可得如下结论：1）沿主运动方向部件所受冲击载荷的作用时间越长，主运动方向的变形衰减时间越长，但最大变形值都相同；机械制造48卷第553期2010/9
25研究·开发
基于结构元的BPMN—BPEL映射方法
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王建雨
□
田锡天
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耿俊浩
西安
710072
西北工业大学CAPP与制造工程软件研究所
摘
＊
要：针对BPMN流程走向随意性特点及其向具有块结构特点的BPEL模型映射时难度较大的问题，通过对常用
工作流控制模式的分析，提出了结构元的概念，从而把BPMN流程模型转变为由结构元表示的流程模型，不但简化了流程模型的复杂程度，而且降低了映射的难度。
关键词：BPMN
BPEL
结构元
文献标识码：A
文章编号：1000－4998(2010)09－0026－05
支持自身到BPEL的映射，从而跨越了流程建模与流程执行之间的鸿沟。BPEL的前身是XLANG和WSFL，XLANG是一种专门控制构件构成的结构化流程建模语言，WSFL是图形化一种基于加入（join）和转化（transition）条件的、的流程建模语言。BPEL同时继承了这两种语言的特点，这样，一些简单的流程就可以采用两种表示方式：一种是使用flow、link等活动来表示，另一种是使用sequence、if等结构化的活动来表示。由于使用flow等活动描述流程时条件过多且难以阅读，本文最终映射得到的流程都是基于结构化活动的BPEL流程。基BPEL的活动主要分为基本活动和结构化活动两类，本活动描述流程的基本步骤，结构化的活动则描述控制逻辑，它又可以包含基本活动以及其他的结构化活动，这些活动的有意义的嵌套，使得BPEL具有表达各种复杂流程的能力。中图分类号；TP311
随着全球化的竞争日趋激烈，企业的发展趋势就是成长为快速流程响应的企业，此时业务流程管理系统的编排Web服务功能则显得尤为重要。在业务流程编排和执行的主流规范主要是管理系统中，流程设计、业务流程执行语言（BusinessProcessExecutionLan-guage，BPEL）和业务流程建模标注(BusinessProcessBPMN)。BPEL是一种从工业界诞生ModelingNotation，的标准，由于受到业界主流服务及技术提供商的支持，迅速成为Web服务编排领域事实上的标准，其重要作用在于它可以跨平台调用商业流程。目前众多的BPEL引擎虽然支持BPEL流程模型的自动执行，但是BPEL本身是基于XML格式的，冗长、抽象，也不直观。而与平台无关等特点，更适合流程BPMN由于易于理解、分析和设计人员的使用。BPMN的另一个优点在于它＊国家863高技术研究发展计划项目(编号：2007AA040503)收稿日期：2010年2月
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表2结果统计表
冲击载荷作用时间/s
0．050．100．20
X方向位移
节点222
衰减时间
/s0．250．250．4
最大位移/(mm)0．0010．0010．001
节点1，21，21，2
Y方向位移衰减时间
/s0．250．250．4
最大位移/mm0．0040．0040．004
节点333
Z方向位移衰减时间
/s0．250．300．40
最大位移/mm0．0650．0650．065
衰减时间
/s0．010．010．01
应力
最大应力/(MPa)0．180．170．18
2）最大变形的发生位置与冲击载荷作用时间无关；3）部件的最大应力衰减时间及应力值大小与冲击载荷作用时间无关。上述结论可为机床在工作条件下，在刀具的选择、切削参数的确定等方面提供一定的理论指导。[2]石亦平，周玉容．ABAQUS有限元分析实例详解[M]．北
京：机械工业出版社，2008．
[3]朱育权，千学明，林晓萍．1CL50型机床立柱振动振动模态
分析[J]．西安工业大学学报，2007(3)．
[4]张国瑞．有限元法[M]．北京：机械工业出版社，1999．[5]于晓伟．高速铣齿机立柱特性的研究[D]．中南大学，2006．
(编辑日月)参考文献
[1]
曾攀．有限元分析及其应用[M〗．北京:清华大学出版社，2004．
262010/9
机械制造48卷第553期
