一种基于CAE的激光切割机横梁性能评估分析方法技术

本发明专利技术公开了一种基于CAE的激光切割机横梁性能评估分析方法，属于激光切割机技术领域。本发明专利技术的步骤为：步骤一、使用Solidworks建立待分析的激光切割机横梁三维模型；步骤二、将横梁机头模组三维模型导入网格划分软件Hypermesh中进行离散化处理；步骤三、将非关键区域的零部件进行质量点耦合等效处理；步骤四、对各零部件间的连接关系进行处理；步骤五、模拟横梁静动态实际工况下的时间步长；步骤六、在结构边界载荷施加模块中设置位移及载荷边界条件；步骤七、进入求解模块，创建求解任务；步骤八、重复以上步骤对其余结构尺寸的横梁进行对比分析。本发明专利技术能够快速高效的设计开发出满足要求的横梁结构，缩短设计周期、降低设计成本。设计成本。设计成本。

【技术实现步骤摘要】
一种基于CAE的激光切割机横梁性能评估分析方法


[0001]本专利技术涉及激光切割机
，具体为一种基于CAE的激光切割机横梁性能评估分析方法。

技术介绍

[0002]激光切割机是将横梁通过横梁安装座、驱动电机、激光切割头等关键零部件装配到一起，对板材进行切割，因此在切割的整个过程中横梁承受的载荷及运行加减速是影响切割精度的显著影响因素。横梁的纵向尺寸较大，目前绝大多数激光切割机横梁上部往往使用重量较大的电机驱动，容易造成横梁的整体刚度不足，在切割过程中横梁发生较大的弹性变形，影响激光切割板材的效果。在传统激光切割机横梁的设计评估过程中往往是设计人员根据经验来大致的确定结构的形状及尺寸，然后根据经验设计的结构尺寸加工处理再进行上机测试。这种设计方法存在三个问题：一是研发周期过长，目前行业内的横梁加工往往是激光切割机生产厂家将横梁结构尺寸设计出来后交给横梁加工厂家进行加工，若对加工好的横梁进行测试，发现成品不满足要求就需要设计人员重新设计，往复循环，直至获得满足要求的横梁，这其中包括了大量的设计、加工、运输、测试周期；二是研发经济成本昂贵，反复试错的过程都需要有人工进行操作，包括材料、加工等成本；三是传统的激光切割机横梁的性能评估方法很难获得最佳的设计尺寸，要么导致刚度不足，发生较大的弹性变形，影响切割精度；要么刚度冗余，横梁过于笨重，机器运行存在较大的运动性能问题。
[0003]激光切割机横梁的设计是一项复杂的多系统相关联的项目，板材的切割效果及精度是切割机的核心竞争项，一般由床身、切割头、电机等多个子系统构成，目前客户对产品的切割精度要求越来越高，存在较大优势的横梁设计方案必然是对整系统的各个子系统整合后才能产生的，近些年来随着虚拟样机平台的应用及计算机性能的逐渐提高，CAE仿真技术在新产品开发过程中起到越来越重要的作用，能够将复杂的物理模型通过技术离散为有限个相互连接的单元，根据主张权利中的一系列模块化的设置求解，获得激光切割机横梁在整系统运行过程中的静动态性能，大大缩短了研发周期及设计成本，同时能够根据设计要求获得最佳的结构尺寸。综上可见，基于CAE的激光切割机横梁性能评估分析方法能够适用于激光切割机行业的横梁产品开发过程，获得高效、高性能的横梁结构。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于CAE的激光切割机横梁性能评估分析方法，通过CAE技术模拟仿真计算出实际工况下的横梁的结构性能，从而能够快速高效的设计开发出满足要求的横梁结构，缩短设计周期、降低设计成本，以解决上述
技术介绍
提出的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种基于CAE的激光切割机横梁性能评估分析方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一、使用Solidworks建立待分析的激光切割机横梁三维模型，并在SpaceClaim中完成不影响求解精度的前期模型的简化处理；
[0008]步骤二、将横梁机头模组三维模型导入网格划分软件Hypermesh中进行离散化处理，并选择合适的网格及单元类型；使用有限元分析中最为广泛应用的位移法将网格单元离散体中的应力、应变、位移等诸多物理量用节点位移表示；网格单元中的节点位移分布一般考虑为某些原函数，因此使用坐标变量的函数关系来表示节点的位移变化，故又称为位移模式，其形式是：
[0009]{f}＝[N]{δ}
e
[0010]{f}为模型内某一节点的位移矩阵；[N]为函数矩阵；{δ}
e
为单元的节点位移矩阵；
[0011]根据弹性力学理论提到的几何及物理方程来构建单元节点力、单元节点的位移方程式，从而获得单元的刚度矩阵：
[0012]{ε}＝[B]{δ}
e
[0013]其中，{ε}为单元内任意节点的应变向量，[B]为应变矩阵；
[0014]{σ}＝[D][B]{δ}
e
[0015]上式中，{σ}为单元内任意节点的应力向量，[D]为弹性矩阵；
[0016]利用虚功理论，从而获得单元节点上的应力与位移之间的关系：
[0017]{F}
e
＝[K]e
{δ}
e
[0018]式子中{F}
e
为节点的载荷向量，[K]e
为单元刚度矩阵；
[0019]在对结构模型进行离散化后，各个网格单元之间的传力是通过公共节点进行的；但是在实际的连续体模型中，载荷是从单元的共享边进行的；因此，作用在单元边界上的面力、体力以及集中力等都需要等效到单元节点上来代替单元上受到的所有的作用力；
[0020]步骤三、将非关键区域的零部件进行质量点耦合等效处理来降低计算量，提高计算效率；
[0021]步骤四、对各零部件间的连接关系进行处理，为保证求解精度，对不发生相对运动的不同连接件进行共节点处理，并将前处理网格节点数据导出；
[0022]步骤五、将步骤四生成的网格节点数据导入ABAQUS专业求解器中进行材料参数的定义、连接关系的创建以及求解参数的设定，模拟横梁静动态实际工况下的时间步长及求解时间设定；
[0023]步骤六、在结构边界载荷施加模块中设置位移及载荷边界条件及载荷边界条件；
[0024]步骤七、进入求解模块，创建求解任务，进行求解计算，获得关心的结构性能参数；
[0025]根据力学平衡条件和边界条件将所有参加计算的单元按照连续体模型离散前的结构重新结合起来，形成完整的平衡方程：
[0026]{F}＝[K]{δ}
[0027]{F}为连续体的节点力向量；[K]为结构的整体刚度矩阵；{δ}为模型体的节点位移向量；
[0028]根据实际工况确定连续体的合适边界条件后，根据上面的平衡方程求解结构体中部分未知节点位移及单元应力；
[0029]步骤八、重复以上步骤对其余结构尺寸的横梁进行对比分析。
[0030]进一步地，所述步骤一中，待评估的三维模型应为处于装配体中的具有固定安装位置的横梁模型；待评估的横梁三维模型负载有驱动电机，包括Z轴及X轴电机、切割机头安装板、溜板、机头、导轨等零部件，且通过螺栓与横梁安装座进行连接，安装座通过滑块与导
轨连接，实现横梁的运动；机头模组通过滑块与安装在横梁上的导轨实现沿着横梁纵身方向运动；因整系统结构复杂，对非关键位置及非重点部件进行模型简化，去除小倒角、圆角以及微小特征来减少离散网格数量、提高单元质量及求解效率。
[0031]进一步地，所述步骤二中将简化后的模型导入专业网格处理软件中进行网格划分，把控所有零部件网格质量满足经验及标准要求，非接触区域的网格长宽比控制在1：5内，接触对间的网格控制在1：3内，最小角度大于45度、最大角度小于135度，雅可比控制在0.6至1的区间范围内，进而保证求解精度。
[0032]进一步地，所述步骤三中，激光切割头通过螺栓与安装板进行连接，且未与横梁直接接触，并非本分析的重点，驱动电机也采用等效质量点的方法进行原本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于CAE的激光切割机横梁性能评估分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、使用Solidworks建立待分析的激光切割机横梁三维模型，并在SpaceClaim中完成不影响求解精度的前期模型的简化处理；步骤二、将横梁机头模组三维模型导入网格划分软件Hypermesh中进行离散化处理，并选择合适的网格及单元类型；使用有限元分析中的位移法将网格单元离散体中的应力、应变、位移等诸多物理量用节点位移表示；网格单元中的节点位移分布一般考虑为某些原函数，使用坐标变量的函数关系来表示节点的位移变化，其形式是：{f}＝[N]{δ}
e
{f}为模型内某一节点的位移矩阵；[N]为函数矩阵；{δ}
e
为单元的节点位移矩阵；根据弹性力学理论提到的几何及物理方程来构建单元节点力、单元节点的位移方程式，从而获得单元的刚度矩阵：{ε}＝[B]{δ}
e
其中，{ε}为单元内任意节点的应变向量，[B]为应变矩阵；{σ}＝[D][B]{δ}
e
上式中，{σ}为单元内任意节点的应力向量，[D]为弹性矩阵；利用虚功理论，从而获得单元节点上的应力与位移之间的关系：{F}
e
＝[K]
e
{δ}
e
式子中{F}
e
为节点的载荷向量，[K]
e
为单元刚度矩阵；在对结构模型进行离散化后，各个网格单元之间的传力是通过公共节点进行的；在实际的连续体模型中，载荷是从单元的共享边进行的；作用在单元边界上的面力、体力以及集中力等都需要等效到单元节点上来代替单元上受到的所有的作用力；步骤三、将非关键区域的零部件进行质量点耦合等效处理来降低计算量，提高计算效率；步骤四、对各零部件间的连接关系进行处理，对不发生相对运动的不同连接件进行共节点处理，并将前处理网格节点数据导出；步骤五、将步骤四生成的网格节点数据导入ABAQUS专业求解器中进行材料参数的定义、连接关系的创建以及求解参数的设定，模拟横梁静动态实际工况下的时间步长及求解时间设定；步骤六、在结构边界载荷施加模块中设置位移及载荷边界条件及载荷边界条件；步骤七、进入求解模块，创建求解任务，进行求解计算，获得关心的结构性能参数；根据力学平衡条件和边界条件将所有参加计算的单元按照连续体模型离散前的结构重新结合起来，...

【专利技术属性】
技术研发人员：章翔，张继桥，范荣博，姚波，
申请(专利权)人：泰尔智慧上海激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：