1 磨床的三維實體模型及結構分析
所研究的外圓磨床三維實體模型是在solidworks中建立的，如圖1所示。
圖1 外圓磨床三維實體模型
圖1為現有外圓磨床的三維實體模型，該結構採用了分為前床身和後床身2部分，在床身裡面採用了多塊加強筋結構。利用solidworks的質量計算功能，我們得到現有結構的質量是1491．37kg，總體質量明顯偏重，由此可見，對其進行減重優化顯得尤為重要。
2 磨床的有限元分析
2．1 磨床的有限元建模
Workebench是某公司提出的協同仿真環境，解決企業產品研發過程中CAE軟體的異構問題。面對製造業信息化大潮、仿真軟體的百家爭鳴雙刃劍、企業智力資產的保留等各種工業需求，某公司提出的觀點是：保持核心技術多樣化的同時，建立協同仿真環境。某仿真協同環境的目標是，通過對產品研發流程中仿真環境的開發與實施，搭建一個具有自主智慧財產權的、集成多學科異構CAE技術的仿真系統。以產品數據管理PDM為核心，組建一個基於網絡的產品研製虛擬仿真團隊，基於產品數字虛擬樣機，實現產品研製的並行仿真和異地仿真。所有與仿真工作相關的人、技術、數據在這個統一環境中協同工作，各類數據之間的交流、通訊和共享皆可在這個環境中完成。開發這個協同仿真環境的平臺便是ANSYS Workbench。
某公司提供各類與仿真相關API以及用戶自己智慧財產權的API在Workbench環境下集成，形成應用程式。希望對某CAD虛擬樣機分析時，從CAD系統中連結虛擬樣機模型，在Workbench開發的應用程式中設置計算參數，如設計尺寸、工程材料或運行工況等，然後提交給希望的底層求解器求解。計算結果返回Workbench程序進行結果顯示。若用戶對當前的設計方案不滿意，可重新設置參數，再求解，直到對當前的設計方案滿意為止。這些滿意的設計參數在此處通過雙向互動參數傳遞功能，可以直接返回對應此模型的CAD軟體中，生成候選的設計方案。
基於Workbench的仿真環境有三點與傳統舫真環境有所不同：(1)客戶化：Workbench像PDM那樣，利用與仿真相關的API，根據用戶的產品研發流程特點開發實施形成仿真環境，而且用戶自主開發的API與公司已有的API平等。這—特點也稱為「實施性」；(2)集成性：Workbench把求解器看作—個組件，不論由哪個CAE公司提供的求解器都是平等的，在Workbench中經過簡單開發都可直接調用；(3參數化：Workbench對CAD系統的關係不同尋常。它不僅直接使用異構CAD系統的模型，而且建立與CAD系統靈活的雙向參數互動關係。利用Workbench的良好的接口，我們可以把solidworks裡的模型直接導入到Workbench並劃分網格得到有限元模型。
2．2 單元類型選擇和網格大小控制
單元類型和單元大小影響著計算效率，在不影響計算結構準確度的情況下，我們選擇四面體單元進行計算，單元大小採用0.1m。得到有限元模型，如圖2所示。
圖2 磨床有限元模型
2．3 邊界條件和載荷的確定
在有限元計算中，邊的界條件的確定對最終的計算結果有著相當大的影響，但是在實際問題中，約束情況往往比較複雜，需要在一定程度上進行簡化。磨床在工作狀態下主要由11塊墊鐵支撐在地面上，承受著整個床身自重及工作時產生的附加載荷，我們在安裝墊鐵的位置施加固定端約束。靜止狀態下，磨床所受的載荷，如表1所示。
2．4 磨床床身的靜力仿真分析
由於磨床加工的工件材料不一樣。工件長度由75mm到1000mm不等，相關資料顯示工件最大重量時225kg。假設所有工件質量都是225kg，由於加工最小尺寸的工件時容易造成應力集中，所以我們認為加工質量是225kg，長度時75mm的工件時是最危險工況。加載分析得到工作檯在導軌上移動時不同位置的變形，如圖3、圖4所示。可以看出在頭架距導軌邊界1641的位置變形最大，是此時的危險截面。
表1 載荷表
圖3 磨床水平方向變形
圖4 磨床垂直方向變形
3 磨床床身的減重設計
通過對以上原有結構的有限元分析，可以看出原有結構變形不是很大，存在較大的結構設計空間。基於減重的目標提出一下幾種改進方案：(1)筋板厚度減小：15mm改為12mm(2)去掉後床身小筋板，並改變後床身另一塊筋板。(3)根據工件加工極限位置，前床身筋板頭架端去掉一塊，並改變剩餘筋板間距。(4)根據工件加工極限位置，前床身尾架端移動一塊筋板位置至危險截面處，並刪除—塊筋板。(5)筋板上的孔開大。(6)頂板上的孔和後床身的孔尺寸減小提高剛度比較以上6種方案，得到筋板厚度減為12mm並去掉後床身的小筋板是可行的。觀察優化後的結構，可見床身剛度和變形都在需用範圍內，結構重量減少了約3％，優化結果良好。
4 結束語
利用有限元軟體ANSYS Workbench對外圓磨床進行分析，較真實地反應了工況，完成了優化設計，經計算優化後更合理，結構重量減輕。證明了此方法的可行性和有效性，對降低成本，提高經濟效益有重大意義。