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重型機(jī)床因其具有大自重、大載荷等特點(diǎn)，床身、立柱等大型構(gòu)件的工作精度和壽命均直接受地基與基礎(chǔ)的影響。國內(nèi)外專家針對土－結(jié)構(gòu)動力相互作用，通過采用有限元分析法、邊界元法、有限差分法、離散元法、無限元法以及雜交混合法等對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)分析，為了簡化計算模型普遍將地基人工截取區(qū)考慮成矩形，然而根據(jù)波的傳播理論和力平衡方法，帶有圓錐頭的地基計算區(qū)更能反映真實(shí)狀況。
考慮到樁基結(jié)構(gòu)的地基-樁基-重型機(jī)床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，即使是較簡單的問題，其相互作用的激勵反應(yīng)計算量也是非常大，所以在土-結(jié)構(gòu)體系模型的簡化以及土的本構(gòu)關(guān)系選擇上，不宜采用規(guī)模和復(fù)雜程度太高的模型，采用如圖所示的帶有圓錐地基二維平面有限元模型來模擬地基-基礎(chǔ)-重型機(jī)床相互作用體系動力特性。
為了降低計算機(jī)使用資源，保證重型數(shù)控機(jī)床與復(fù)合基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)關(guān)系(滑動導(dǎo)軌接觸關(guān)系)的對應(yīng)性，地基-基礎(chǔ)-重型數(shù)控機(jī)床相互作用體系總體選擇四結(jié)點(diǎn)四邊形單元。在地基人工邊界處，為了更有效的得到仿真精度，將地基人工邊界處被破壞的四邊形單元做部分處理：用直線連接所有相鄰人工邊界與四邊形單元邊界線的交點(diǎn)，再連接人工邊界上交點(diǎn)與相鄰沒被破壞四邊形單元的左上角節(jié)點(diǎn)，組成人工邊界處的三角形單元，減小了利用矩形單元進(jìn)行離散時的離散誤差。
以某重型龍門數(shù)控銑床為例，重型龍門數(shù)控機(jī)床外輪廓尺寸為10m×5m，基礎(chǔ)形式為箱基，其結(jié)合面邊界條件應(yīng)用式計算，分別考慮地基在3種土質(zhì)條件下系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。
對觀測點(diǎn)Z方向最大振幅數(shù)據(jù)采集，從0時刻起至振幅為0時止。由圖可知，當(dāng)改變土壤土性時，觀測點(diǎn)的Z方向位移響應(yīng)峰值從0.28mm降低到0.19mm，振動時間由0.7s增加到1.5s，這說明基礎(chǔ)剛度顯著影響著重型數(shù)控機(jī)床的動力響應(yīng)。觀測點(diǎn)的位移響應(yīng)峰值隨著地基剛度的減小而增大，這說明較硬的土體對沖擊力起到放大作用，而軟地基有明顯的吸振作用，可見不同土性的土壤對重型數(shù)控機(jī)床的加工精度起到關(guān)鍵作用。
將重型機(jī)床-基礎(chǔ)-地基各處結(jié)合面考慮成彈簧和阻尼的形式裝配到系統(tǒng)模型中，建立了重型機(jī)床－基礎(chǔ)－地基系統(tǒng)有限元模型，針對帶有圓錐的人工截取計算，提出了將人工截取區(qū)網(wǎng)格應(yīng)用三角單元和四邊形單元組合的細(xì)化方法，該方法適合不同網(wǎng)格劃分的所有圓錐模型。對3種不同土性的地基進(jìn)行了動態(tài)分析，結(jié)果表明：剛度較大的地基土可降低系統(tǒng)的響應(yīng)峰值，可有效的提高重型機(jī)床的加工精度。
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