轴承套圈自动车床主轴箱动态特性分析08-17综述

1、分类号密级ud c 编号牵走麦道，季硕士学位论文轴承套圈自动车床主轴箱动态特性分析学位申请人：i!i /*一1 hf hh f | !t安 h学科 专业：i机械制造及其自动化 指导教师：i答辩日期:华东交通大学硕士学位论文任务书研究生姓名学号学院（系）机电工程学院专业机械制造及其自动化专业方向论文题目轴承套圈自动车床主轴箱动态特性分析要求完成时间选题来源横向课题主要研究任务:1、广泛查阅机床动态特性研究的相关文献，了解机床整机与机床零部件动态特 性研究的概况，以及国内外对机床及主要零部件动态特性的研究方法和主要研究成果， 确定课题研究方案。2、了解轴承套圈自动车床主轴箱的工作原理，根据的设计要

2、求及加工工况，以 高速粗车削为例分析其受载荷情况。4、应用proe软件对主轴箱进行三维建模，并对主轴箱三维模型进行合理简化， 建立主轴箱及其主轴组件、箱体的有限元模型，计算其在静力作用下的应力应变。5、分析适用于动力学特性分析的各种模态提取方法及其优缺点，基于合理的有 限元模态提取方法对主轴箱及其主轴组件、箱体进行模态分析，得到各阶固有频率， 分析其各阶模态和振型。6、利用ansys有限元软件进行前处理、分析计算，对主轴箱及其主轴组件、箱 体进行谐响应分析，得到位移响应曲线。7、在上述分析基础上，对主轴和箱体两个关键部件进行优化，提出改结构结构和刚度的合理方案接受任务时间2012年月 日学生签

3、名导师签名日期年 月日llf itn llll vrll r-r 一1 79! . vr . atv -rn ib!a. vr ). wavr 9rv.w ! lltll).v-!1 w 1 9.!a,1w ).巾!l . !l, 9-tvliw lr-v!l wtv a . 9-s! ll.w 3!l w . m bw wn w!l wtli. vt.s! mll-f3 vri! wtnl w!l btv.wii. w! s-w 华东交通大学201届硕士学位论文 高速高精数控车床液压刀塔动态特性分析 机电工程学院 一独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作

4、及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得华 东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢本人签名 0期关于论文使用授权的说明本人完全了解华东交通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定，本论文无保密期内容。本人签名导师签名 0期摘要轴承套圈自动车床主轴箱动态特性分析摘要随

5、着制造业对数控加工的速度和精度要求日益提高，人们对高速高精数控机床的研究也不断深入。高速高精数控机床有着高转速、大进给速度、高运动精度和高加工精度 的特性，需要其零部件具备高精度和良好的动力学性能和热力学特性来保证。液压刀塔 是数控车床的关键功能部件，因此，对液压刀塔在设计阶段进行性能评价，或在改进定 型前进行优化，有利于提高机床整机以及液压刀塔的质量、可靠性和经济性。本文是针对江西省教育厅光机电一体化”产学研重点项目高速高精数控车床研发 的内容进行研究的。该项目资助的“gsck200“高速高精数控车床”已由南昌凯新精密 机械有限责任公司投资生产。论文主要采用有限元分析法，针对该项目的液压刀塔

6、进行 动力学特性研究，将理论模型和特性分析结果与实际情况进行了比对，并对其中的关键 部件进行了优化分析，提出优化方案。本文主要内容如下：(1)广泛查阅机床动力学研究的相关文献，了解机床整机和机床零部件动态特性 研究的概况，以及国内外学者主要的研究方法及研究成果。(2)分析gsck200a型数控车床的液压刀塔的结构，确定在粗加工工况下的切削 力和离合器间拉紧力的大小，并对主要受力的关键部件刀盘和离合器进行静态分析。(3)利用ansys软件对刀塔及其关键部件进行动态特性分析，主要进行了模态分析和谐响应分析。(4)运用有限元分析软件hypermesh对液压刀塔的关键部件进行结构优化分析， 提出了结构

7、优化方案。关键词：高速高精，数控车床，液压刀塔，有限元法，动力学特性，谐响应，优化2abstractcharacteristics analysis for the hydraulic tool turret of high-speed & high-precision cnc latheabstractalong with the increasing advance of requirements of nc machining speed and precision by manufacturing, deepening of the study on high-speed & high

8、-precision cnc lathe are attracting more attention. the components parts need to have high-precision and excellent structural characteristics which can ensure the high rotating speed max feed rate and high machining accuracy of the high-speed & high-precision cnc lathe. therefore , cnc lathe need to

9、 get performance evaluation in the design stage or to be optimized before improvement and setting, that would contribute to improving the quality, reliability and economy of the cnc lathe.this article focuses on jiangxi provincial key project of research & development for high-speed & high-precision

10、 cnc lathe”. gsck200a high-speed & high-precision cnc lathe which was subsidized by this projec has been invested and producted by nanchang kaixin precision machinery co., ltd. by using finite element analysis method, this article made a dynamics performance properties research on the hydraulic tool

11、 turret of this proje ct and compared theoretical models and properties analysis results with the actual conditions.the article contains follow main contents：(1)extensively consult the literatures related to lathe dynamic characteristics. learn about the dynamic characteristics research survey about

12、 the lathe whole machine and components parts, and investigate the common method and important achievements of the dynamic characteristics research home and abroad.(2)this paper analysis structure of the hydraulic tool turret of the gsck200a cnc lathe, caculates the cutting force and tensioning forc

13、e in rough cutting condition and then makes a static analysis of the hydraulic tool turret and key part of the tool turret cutter head and clutch(3) .by using ansys , this article analyses the dynamic characteristics of the hydraulic tool turret and its key parts. this main job includes modal analys

14、is and harmonic response analysis.(4) optimized analysis is carried out for box of the hydraulic tool turret through using finite element software hypermesh, and a reasonable improvement for the structure is provided.key words: high-speed & high-precision , cnc lathe, hydraulic tool turret , finite

15、element method, dynamics characteristics harmonic response optimization目录目录主要符号说明i第一章绪论11.1 课题的来源11.2 研究的背景和意义11.3 国内外研究概况31.4 本文主要研究内容4第二章轴承套圈自动车床主轴箱结构的静态分析62.1 主轴箱的组成结构62.2 静态分析理论基础72.3 有限元理论基础 82.3.1 有限元方法介绍82.3.2 ansys有限元软件介绍 82.3.3 ansys workbench平台简介及前处理和后处理功能介绍2.4 主轴结构的静力学分析 错误！未定义书签2.4.1 主轴箱

16、结构有限元模型的处理错误!未定义书签2.4.2 受力分析和约束条件的确定182.4.3 主轴的静力学分析 错误!未定义书签2.5 箱体结构的静力学分析 错误！未定义书签2.5.1 主轴箱结构有限元模型的处理错误！未定义书签2.5.2 受力分析和约束条件的确定182.5.3 箱体的静力学分析 错误！未定义书签2.6 本章小结 错误！未定义书签第三章 主轴箱结构的动力学分析 错误！未定义书签3.1 结构动态分析的理论基础 错误！未定义书签3.1.1 模态分析的某本原理3.1.2 模态分析的方法3.1.3 模态分析基本步骤3.2 主轴模态分析 错误！未定义书签3.3 箱体模态分析 错误！未定义书签3

17、.4 本章小结 错误！未定义书签第四章 主轴箱结构有限元谐响应分析 错误！未定义书签4.1 谐响应分析理论基础 错误！未定义书签4.1.1 谐响应分析的基本原理 错误！未定义书签iii目录4.1.2 谐响应分析的方法 4.1.3 谐响应分析的基本步骤 4.2 主轴谐响应分析4.3 箱体谐响应分析4.4 本章小节 第五章主轴箱结构的动态结构改进5.1 优化设计理论 5.2 optistruct 的优化分析5.3 优化设计模型的建立及优化分析 5.3.1 主轴的优化5.3.2 箱体的优化5.4 本章小结 第六章总结与展望6.1 主要工作回顾6.2 本课题今后需进一步研究的地方 参考文献28个人简历

18、在读期间发表的学术论文错误！未定义书签 错误!未定义书签 错误!未定义书签错误!未定义书签 错误!未定义书签 错误!未定义书签 错误!未定义书签 错误!未定义书签错误!未定义书签 错误!未定义书签 错误!未定义书签 错误!未定义书签错误!未定义书签 错误!未定义书签致谢iv主要符号说明主要符号说明fz主切削力；fy背向力；fx进给力；cfz主切削力系数；cf背向力系数；ycfx进给力系数；a切削深度；f进给量；切削速度；fd离合器拉紧力；tc离合器的计算转矩；dm离合器牙分布的圆周平均直径；d轴直径；1滑键连接的摩擦系数；牙面摩擦角；牙面倾斜角；t离合器的理论转矩；k工作情况系数；ft为结点力

19、矩阵；e弹性模量；泊松比；ki为单元刚度绝阵；m质量矩阵；km刚度矩阵；x加速度向量；x位移向量；i特征向量；位移响应滞后激励载荷的相位角第一章绪论第一章绪论1.1 课题的来源1.2 研究的背景和意义装备制造业是为各行业提供技术装备的基础性行业，装备制造业的发展为各行业产 业升级、技术进步提供重要保障。为了振兴我国装备制造业，2012年5月工业和信息化部印发了高端装备制造业“十二五”发展规划。该规划为贯彻落实国民经济和 社会发展第十二个五年规划纲要、国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决 定和工业转型升级规划（2011-2015年）的精神，在总结分析高端装备制造业产业 发展现状的基础上，明

20、确了 “十二五”的发展目标和思路，确定了发展重点方向及主要 任务。其中关于智能制造装备创新发展工程这方面，要求围绕智能制造过程中的感知、 决策、执行三个关键环节，突破新型传感、高精度运动控制、故障诊断与健康维护等关 键技术，大力推进智能仪表、自动控制系统、工业机器人、关键执行和传动零部件的开 发和产业化，开展基于机器人的自动化成形与加工装备生产线、推进智能制造技术、智 能测控装备和智能基础制造装备在建材、机械加工、食品加工等典型制造领域中的示范 应用。传动零部件研制能力显著增强。规划的实施，将进一步提升我国高端装备制造业 整体发展水平和国际竞争力。现今，我国的经济正处于可以大有作为的重要战略机

21、遇期， 具备持续健康发展的基础条件，虽有一定的下行压力但长远看增长动力仍然强劲。一个国家机床工业的技术水平、机床的拥有量和现代化程度，是衡量这个国家工业 生产能力和技术水平的重要标志之一 1。机床技术水平的提高，必然对国民经济的发展 起重大的推动作用。考虑到当前装备制造行业中对提高机床精度设计水平的迫切需求， 就必须在原有机床设备中进行数控改造和系统升级。机床的动态静态特性对整个机床的工作性能及产品质量有重大的影响。动态特性包括振动、噪声、稳定性等3。为了设计制造出具有更好好性能的机床结构，提高机床动 态特性，必需打破传统的机床结构设计中依据设计经验以及采用类比的方法进行的旧模 式，提出一种快

22、速有效的机床设计方法进行更加精确的计算。动态仿真技术研究是一种科学有效的方法， 可以大大的节省投入的成本，缩短产品研发的周期，提高机床的加工精度以及稳定性4。关于机床动态特性，目前的基础性研究的关注点主要集中在关键结构件的动态特性 分析、伺服进给单元动态特性分析、结合面动态参数采集和动态特性分析、大结构的有 限元分析等。关键结构件包括导轨、滚珠丝杠、主轴和刀具等。其中导轨的研究比较成 熟。如果能够得到相应的零部件或组件的准确的动态参数，就为机床整机动态特性分析 提供了最基础的数据。进而通过动态特性分析也有助于装配过程，并在一定条件下，优 化关键零部件或组件，从而改善机床整机的动态特性 5。对于

23、轴承套圈自动车床的主轴箱动态特性研究并不多。轴承套圈自动车床作为众多 机床当中的一种专用车床，对它的改造和升级是本文中所要阐述解决的问题。轴承套圈 车床是具有较大功率、较高的加工精度、高效率的半自动化车床。它主要用于大批量车 削加工轴承环，也可用于加工盘类、短轴类、套类等零件。轴承套圈自动车床整机有主 轴箱、车床床身、液压系统、机械手、自动进料刀架（纵向工作平台和横向工作平台） 等几部分组成。主轴箱作为车床的重要部件，它的动态特性对加工精度有直接的影响 c1206型轴承套圈自动车床主轴箱（如图1.1）。图1-1轴承套圈自动车床主轴箱实体图fig.1-1 automatic lathe head

24、stock bearing rings entity diagram为了保证机床整机与零部件具有良好的动态特性，本文应用proe软件进行三维建模，建立有限元模型，分析适用于动力学特性分析的各种模态提取方法及其优缺点，基 于合理的有限元模态提取方法进行模态分析。利用hypermesh有限元软件进行前处理，利用ansys进行分析计算，实现机床构件的动态设计和优化。自动车削头分解图如图1-2所示。主轴箱是车床设计过程中的一个关键部件，它的 质量直接影响着车床的加工精度。它用于支承主轴，多采用滚动轴承或静压滑动轴承对 主轴进行支承；它用于传动机构，通过电机、电器控制使其实现旋转、启动、停止、变 速和换

25、向等功用。主轴箱部件完成机械加工的主运动应满足以下几方面的要求，高精度、刚度、抗振性、耐磨性等。车床主轴箱通常是采用一根动力轴带动多根传动轴，在有限 的标准箱体空间中各传动轴必须合理分布并避免干涉，并保证其转速、旋向、刚度和强 度，难度较大。主轴箱的结构在车床的整体性能中起着重要的作用，因此，主轴箱机械 性能的提高，对车床产品质量的提高和加工精度的保证有着重要意义2 o噌次口 i图1-3箱体零件图fig.1-3 cabinet parts diagram本课题基于此，将对轴承套圈自动车床的主轴箱进行静力学分析，测定其在静态力 作用下是否满足设计要求，然后对 主轴箱及其主轴组件、箱体进行模态分析

26、 和谐响应分 析，从而进行优化。总之，本课题可以在最短的时间内设计出符合要求的主轴箱，使其 具有良好的静动态特性；减少材料浪费，降低生产成本；得到满足加工精度的主轴箱结 构。1.3 国内外研究概况国外对机床的动态特性的研究工作在 20世纪的30年代就已近开始了。美国的密西根 大学最早开始机床动态特性的研究。60年代，英国s. taylor和s. a. tobias共同研制一台 摇臂钻床的集中质量模型，由于未考虑结合面和系统的阻尼，使得虽然整台机床低阶固 有频率与试验值比较接近，却没有办法计算其动态响应 6。美国空军委托了亚琛工业大 学、伯明翰大学、辛辛那提大学等几家科研单位对机床的动态特性进行

27、研究，1972年瑞典提出了机床最终动态验收规范7。近几年以来，机床业发展迅速，对机床性能的提高 更加依赖于机床的动态特性的研究。有限元理论、计算机技术的发展，机床振动测量与 分析仪器的发展，使机床动态特性研究更是掀起了新的热潮。西班牙的m. zatarain建立立柱移动式铳床整机模型，将包括机床床身、立柱、头架及它们之间的滚动导轨在内的 大的构件，使用nastran和i-deas两种有限元软件进行模态分析，对比了几种结构方 案，得出来了最优的结构改进形式 网。m. a.曰bestawi建立了某机床的cad模型，通过 此模型提取了固有频率和振动模态的相关参数，对动力学模型进行修正9。美国的pat

28、rick v. hull提出可变参数可以动态的添加到机床动态设计中，为了进行本机拓扑优化，继而进一步推动机床设计全过程参数化。密歇根大学的tjiang和m.chiredast在patrick v. hull的基础上，针对机床的主要联结件提出建立数学理论模型，建立机床整机模型后 对主要连接件的数量、位置进行拓扑优化10 0而国内的研究则从80年代初期开始，北京机床研究所，编制出了 “金属切削机床样 机试验规范总则(试行稿)” 11。中国的机床工业起步较晚，新中国成立以后，机床工 业从无到有，从最初的的模仿拷贝设计，到如今的自主创新。现今，随着制造业的发展， 对具有较好动力学性能的机床的需求不断加

29、大，国内有越来越多的研究人员投身到机床动力学的研究中，并且也取得了一定的成果。在应用有限元软件对机床整机或主要零部 件进行动力学分析的研究的方面：王学林等人对机床的模态特性进行了有限元分析，重 点分析了机床固定立柱和底座结合面的刚度对机床模态的影响，为机床的下一步设计提供理论依据12。大连理工大学的宋鲁涛采用ansy啾件进行模态分析，降低机床振动提 高稳定性，研究了精密卧式加工中心的动态特性13。兰州理工大学的王富强针对机床床 身建立有限元模型，提出了几种典型的床身筋板布局方案并从中选取合理的筋板布局型 式，进行结构优化设计找出合理的结构优化参数14o东南大学的李恒熙针对ck6136数 控车床

30、做了有限元分析及优化设计15。北京理工大学覃文洁等人利用i-deas?口ansys 件，建立了整台机床的有限元模型，在其基础上进行动力学分析，准确分析出了机床的 动态特性，并在实际结中得到成功应用16。哈尔滨工业大学的解志文对高速主轴动静态 特性的有限元分析进行了研究，分析了高速电主轴的结构特点，针对电主轴设计时需要 的两个重要参数，即跨距以及转轴与电机的配合量，进行分析并优化为改善和优化电主 轴动态特性提供了数据参考依据17 o纵观以上文献资料可以发现，国内外对机床动静态特性的研究十分活跃，众多研究 人员在这方面做了大量的工作，这就为我们对轴承套圈自动车床主轴箱的动静态分析提 供了参考。机床

31、动静态分析的原理方法是通用的，用此方法来分析具体的机床是各有其 差异的。所以，本课题的探讨是具有现实意义的 。1.4 本文主要研究内容本文分析轴承套圈自动车床主轴箱的的动态特性，优化设计结构，使其动态性能提 高，论文主要研究以下几个方面的内容：(1)广泛查阅机床动态特性研究的相关文献，了解机床整机与机床零部件动态特性 研究的概况，以及国内外对机床及主要零部件动态特性的研究方法和主要研究成果，确 定课题研究方案。(2) 了解轴承套圈自动车床主轴箱的工作原理，根据的设计要求及加工工况，以高速 粗车削为例分析其受载荷情况。(3)应用proe软件对主轴箱进行三维建模，并对主轴箱三维模型进行合理简化，

32、建立 主轴箱及其主轴组件、箱体的有限元模型，计算其在静力作用下的应力应变。(4)分析适用于动力学特性分析的各种模态提取方法及其优缺点，基于合理的有限元 模态提取方法对主轴箱及其主轴组件、箱体进行模态分析，得到各阶固有频率，分析其 各阶模态和振型。(5)利用hypermesh有限元软件进行前处理，利用ansys进行分析计算，对主轴箱 及其主轴组件、箱体进行谐响应分析，得到位移响应曲线。(6)在上述分析基础上，对主轴和箱体两个关键部件进行优化， 提出改结构结构和刚 度的合理方案。5第六章总结与展望第二章轴承套圈自动车床主轴箱结构的静态分析主轴箱静态分析，就是在不考虑惯性和阻尼的影响下，利用 ans

33、ys、hypermesh 等软件计算如离心力重力等固定不变载荷的作用下的应力情况、固有频率和振型，为主 轴箱的动态分析提供理论依据。它是衡量机床主轴箱整体特性的一个重要指标17o2.1 主轴箱的组成结构图2-1主轴箱结构分解图fig.2-1 headstock structure exploded view本课题是以某型的轴承套圈自动车床的主轴箱为研究对象，进行结构分析。主轴箱 的三维结构模型分解图如上图2-1所示。从图中可以看出其结构比较复杂，涉及的参数 很多，若对其进行全面的分析需要做大量细致的工作，也可能得不到希望的结果，因此 在实际设计计算时会进行适当的简化，简化环节会在后面的内容中做

34、详细叙述。主轴箱的主要功能是把电动机的转动传递到主轴上， 通过不同传动比的搭配达到降低主轴转速 和提高主轴扭距的目的。1一主轴鬲箱体l l康州” 3一拨处4一拉钉 5-普通沼姓赳* 6-rhj 7-拨块工s-推力朗轴承9-干床主粒；il夹头】“一轴向定位和押出措板图2-2主轴箱装配图2.2 静态分析理论基础静态分析又称稳态分析，就是求解系统在受到不考虑时间因素的恒定载荷作用时的 平衡问题。结构静力分析是计算在固定不变载荷作用下，结构发生的效应，也就是由稳 态载荷引起的系统或部件的应力、位移以及变形等18 0有限元法的基本构想是将一个整体切割成很多的单元，每一个单元都可以建立它的 力平衡方程式。

35、单元力的平衡方程为：kib ft(2-15)ft为作用在结点上的力矩阵；b为单元节点上的位移阵列；ki 一为单元刚度矩阵。该有限元方程式，反映了单元结点力与结点位移之间的关系19。主轴箱是轴承套圈自动车床的主要功能部件，结构设计的是否安全可靠，直接影响 到机床的动静态特性和机床的加工精度，因此对主轴箱进行静力变形分析是非常有必要 的。在满足总体设计要求的前提下，寻求最优材料的分布。主要以减少材料质量为主， 减小质量固然可以减少加工材料的成本，但一味追求减少体积而得到的不合理设计带来 额外的加工成本可能远远大于材料减少的成本。因此要使结构更加合理，还要具有良好 的加工性能20。主轴箱选取材料 h

36、t200,弹性模量1.48xi0-5mpa,泊松比0.310,密 度7200 kg/m3。主轴选取材料40cr,弹性模量2.11x 10-5mpa,泊松比0.277,密度7870 kg/m3。表2-1主轴箱主要部件的材料属性材料密度弹性模量泊松比主轴40cr7.8x 10-9t/mm32.11x 10-5mpa0.3箱体ht2007.2x 10-9t/mm31.30 x 10-5mpa0.3刀具硬质合金14.4 x 10-9t/mm36.00 x 10-5mpa0.22主轴箱的静力分析是利用有限元法，并借助有限元软件实现的。有限元法的理论基 础和有限元软件的原理，在下面小节中做详细叙述。2.3

37、 有限元理论基础2.3.1 有限元方法介绍有限元法即将要分析的结构离散化为有限个自身具有一定的质量、弹性特性的单 元，在有限个节点上把它们互相连结起来，承受等效的节点载荷，并根据平衡条件来进 行分析；然后借助计算机根据变形协调条件，再用这些单元的集合来模拟或逼近原来的 物体进行求解，单元数目越多，求得的解越接近真实情况 210从而将一个连续的无限自 由度问题转化为离散的、具有有限自由度的问题，最终得到对整个物体的分析结构。有 限元法是是一种解决工程实际问题有力的数值计算工具之一，最具实用性和广泛性22。随着计算机技术的不断发展，数值求解方法的改进和力学知识的完善，有限元法的 应用也越来越广泛，

38、已经由最初的结构分析领域逐渐应用到其它领域，如传热学、流体 力学、电磁学和声学等领域。现代有限元方法的这个概念的正式提出是在 1960年，clough 在他的平面弹性论文中使用“有限元法”这个名称。实际上有限元法思想的提出要更 早，20世纪早期，一些研究者应用离散等价杆来拟合弹性体。1943年courant利用结构 矩阵分析方法定义了三角形域上分片连续函数，利用最小势能原理研究st.venant的扭转问题，可以说courant是最早进行有限元分析的人。20世纪50年代，boeing公司分 析机翼振动时，计算机翼的结构挠度的方法大大推动了有限元的发展。1967年zienkiewicz和cheun

39、g撰写了第一本有限元专著。而我国的有限元理论研究则始于五十 年代末，冯康在数学的角度提出了有限元的的方法，他创立了一套现代化和系统化求解 微分方程的近似方法，其内容实质就是国际上称之为有限元法的方法23o 1965年冯康正式发表了论文“基于变分原理的差分格式”，这篇论文也成为国际学术界承认我国独 立发展有限元方法的主要依据。随着工程师们越来越多的开始使用这一数值方法来解决实际应用当中复杂的问题， 这一方法开始在工程界得到广泛应用。1971年首次发布了 ansys软件24 o本文用的有 限元软件有hypermesh ansys ,下面章节将对这两款软件进行介绍。2.3.2 ansys有限元软件介

40、绍ansys是一个大型通用的有限元分析软件，它具有强大的计算与分析能力，可以 进行多种物理场分析和耦合分析，广泛应用于航空航天、国防科技、石油化工、造船水利等领域。1970年美国著名的力学专家john swanson博士于在宾夕法尼亚的匹兹堡创 建了 ansys公司，随后1971即推出了 ansys软件。经过三十多年的发展，如今 anasys公司已经成为cae行业最大的一家，anasys软件更是不断的融入新技术， 它能与绝大部分的cad软件接口来实现数据的共享和交换，如 pro/engineer,nastran , alogor, i deas, autocad等。当前的ansys版本与之前的

41、一些版 本相比，在操作界面和分析功能上也都有了比较大的改进，使用户操作更加方便，能最 大限度的满足用户的需求。ansys有限元法主要分为有限元预处理阶段、分析计算阶段和后处理阶段三个部 分，各个阶段又有较为细致的步骤。1、预处理阶段主要用于构造有限元模型：(1)设定单元类型(2)定义实常数(3)定义材料属性(4)创建基本模型：该过程主要在三维造型软件中完成，进行简化以后，转换成 iges格式导入到 ansys中；(5)划分网格：主要是将问题分解成节点和单元来进行处理； (6)限制边界并定义约束条件。2、施加载荷，设置求解参数并求解：设置载荷参数，在ansys的结构分析中主要包括压强载荷、面力载

42、荷、以及热 应力等；分析类型以及分析选项的设置，在ansys中有多种求解类型，包括静力(static)、 模态(modal)、响应(harmonic)分析等，在各个分析类型中又需要设置不同的参数；进行求解计算current ls。(3)后处理：在后处理中主要是进入后处理器中，读入计算结果，另外利用后处理程序显示结构 的变形、应力情况以及各种分布图，然后将结果输出。一般而言，有多种方法可用于推导有限元问题的公式，其中包括：(1)直接发；(2)最小总势能法；(3 )加权余数法。总的来说利用ansys进行结构或者热应力等分析都 与上述步骤基本相同29。2.3.3 ansys workbench平台简

43、介及前处理和后处理功能介绍ansys软件是由美国ansys公司开发的通用有限元分析工具。全面的使用于结构、流体、电场、磁场、声场等工程分析。自发布以后，广泛用于航空航天、汽车、机械工程、电子、船舶、交通、建筑、国防、石油、化工等众多行业。作为现代产品设计中的高级cae软件，大多数人都是在经典界面下使用的，熟悉 ansys的使用者应该并不陌生，在经典模式下，处理外部数据如cad模型时并不方便，尤其将工程领域中复杂的3d模型导入ansys中，往往因为几何模型失效、错误甚至缺失而无法进行分析计算，尤其产生直观发现不了的错误时，其计算结果对于产品的设计和应用产生的影响是致命的。 基于ansys软件本身

44、三维建模白不够强大以及ansys软件与其他主流 cad软彳4i(如pro/e、catia、ug)的数据交互接口的兼容性较弱，ansys公司在2009年正式推出了全新版本的ansys workbench产品，以项目流程图的方式， 将各种数值模拟方法集成到统一平台中，进而实现不同软件之间的无缝连接。而且，每个分析系统的界面都是独立的，通过可以互联的数据，将复杂的cad三维模型所构造的有限元模型导入分析系统中。然后进行参数设置、载荷的施加载荷和定义约束后，通过内置求解器进行分析计算。workbench可以实现的数值模拟技术主要包括：(1)结构静力分析：用于求解外载荷引起的位移、应力和约束反力。静力分

45、析很适合求解惯性和 阻尼对结构的影响并不显著的问题。静力分析不仅可以进行线性分析还可以进行非线性分析，结构 非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。(2)结构动力学分析：结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的载荷以及它对阻尼和惯性的影响。动力学分析可以分析大 型三维柔体和刚体运动。主要包括模态分析、谐响应分析、随机振动响应分析、瞬态动力学分析等。(3)结构热分析：结构热分析可以处理热传递的三种基本类型，即传导、对流和辖射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。结构热分析应用于热处理问题、发动机租、压 力容器、

46、流固耦合问题、热结构貌合的热应力问题等。(4)流体动力学分析：包括 cfx和fluent两种，分析类型可以是瞬态或稳态。分析结果可以 是每个节点的压力和通过每个单元的流速。并且可以利用后处理功能产生压力、流速和温度分布的 图形显示。(5)电磁场分：电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、祸流、电场分布、磁场分布、 运动效应、电路和能量损失等。(6)耦合场分析：通过直接耦合和载荷传递i_序耦合求解不同场的交互作用，用于分析诸如流体-结构耦合、热-结构耦合、热-电耦合等问题。(7)工程知识管理ekm : ansys工程知识管理是基于互联网的多用户协同仿真产品，旨在解决用户所面临的仿真数据和过程

47、管理方面的挑战。workbench分析的基本过程一般分为：初步确定、前处理、加载并求解、后处理。分析基本过程如图 所示。前处理：前处理是指建立实体模型和有限元模型。通常包括创建实体模型，定义单元属性，划分有限元 网格等。如今绝大多数有限元模型都是利用实体模型建模。例如 cad , ansys模型的建立可以直 接在ansys平台中建立。同样可以通过其他三维cad软件创建后导入后，进行必要的修正。单元29属性是指划分网格之前对分析对象特征的指定。一般包括材料属性、单元类型、实常数等参数。根据实际情况，定义分析系统单位。并且要保证所有设置单位的统初步确定.前处理 -戈粉网格seas得a锥论检蛉结果的

48、正硝性图workbench分析基本过程fig workbench analysis basic process加载并求解:(1)自由度do 定义节点的自由度值(例如结构分析的位移，热分析的温度，电磁分析 的磁势等)。(2)面载荷一一作用在表面的分布载荷(例如结构分析的压力，热分析的热对流)。(3)体载荷一一作用在体积上火场域内(例如热分析的体积膨胀)。(4)惯性载荷一一结构质量或惯性引起的载荷(例如重力，加速度等)。在进行求解之前应进行分析数据检查包含以下内容单元类型和选项，材料性质参数，实常数以及统一的单位制；单元实常数和材料类型的设置，实体模型的质量特性；确保模型中没有不存在缝隙；壳单元的

49、法向，节点坐标系；集中载荷和体积载荷，面载荷的方向；温度场的分布和范围，热膨胀分析的参考温度。后处理：（1）通用后处理（post1）用来观看整个模型在某一时刻的结构；（2）时间历程后处理（post26）用来观看模型在不同时间段或载荷步上的结果，常用于处理瞬态分析 和动力分析的结果。2.4 主轴的有限元分析有限元分析是进行整体研究的基础。主要包括单元类型的选择、数值分析模型的建立以及有限元分析。2.4.1 单元类型的选择在模型建立之前就要确定分网所需的单元的类型。单元类型选择的依据是分析对象的复杂程度，所 受应力和应变的特性，计算要求的精度以及计算机的计算能力等。例如，分析对象的结构复杂且不 规

50、则，应该首选相对简单的单元（四面体单元），但是如果计算要求的精度很高而且计算机的计算能力 高，也可以选择一些复杂单元（二次或者三次单元）。如果分析对象的结构规则或者可以分为若干规则 的区域，应该首选计算精度最高的复杂单元。在实际问题中，由于一些分析对象特殊的边界条件和 结构，我们倾向于选择多种单元来分区域网格化结构。值得注意的是，所选单元的类型必须局限于软件提供的单元库内。ansys软件提供的单元类型49丰富，而且覆盖分析区域广，包括结构、热、 流体、电磁及耦合分析等各个方面。在ansys workbench 结构分析中，实体的网格单元程序默认为solid186或solid187 ,这两种网格

51、单元对于主轴箱的网格划分是适应的，因此无需另外选取网格单元。solid186是高阶的三维 20节点结构实体单元。该单元具有二次位移，适于生成不规则网格 模型（如由各种 cad/cam 系统生成的模型）。solid186由20个节点定义，每个节点有三个自由度：节点坐标系的x、v、z方向的平动。solid186可具有任意的空间取向，该单元具有塑性、超弹性、蠕变、应力刚化、大变形和大应变 等功能。也可利用混合公式模拟几乎或者完全不可压缩弹性材料的变形，本单元还提供了多种输出 选项（如图 t）。图t solid 186单元示意图fig solid 186 unit diagram图x solid 18

52、7单元示意图 fig solid 187 unit diagramsolid187是高阶三维10节点实体单元。该单元具有二次位移，适于生成不规则网格模型（如由各种cad/cam 系统生成的模型）。solid187由10个节点定义，每个节点都有三个自由度：节点坐标系的x、y、z方向的平动。该单元具有塑性、超弹性、蠕变、应力刚化、大变形和大应变等功能，也可利用混合公式模拟几乎 或者完全不可压缩弹性材料的变形（如图x）。2.4.2 接触选项的设置在ansys workbench中，如果是装配体，程序会在两个实体之间自动探测接触面并自动生成 接触对。当然这里有一个探测接触距离的容差（tolerance

53、）限制，这个容差值可以修改，小于这个容差值，就会自动生成接触对。但是，当装配体结构比较复杂，尤其含有较多的体（parts）,自动检测生成的接触对有时候会有很多不必要的接触对或者是不恰当的接触对，这就要用到 workbench中的手动设置接触对。在接触区域，一个表面构成接触面，则另一个表面构成目标面。ansys程序对装配体的定义默认是对称接触，但也可以根据需要改成非对称接触。在ansys workbench中有5种接触类型19:bonded （绑定）：这是 ansys workbench中关于接触的默认设置。如果接触区域被设置为绑定， 则不允许面或线间有相对滑动或分离，可以将此区域看做是连接在一

54、起的。因为接触长度或面积是 保持不变的，所以这种接触可以用作线性求解。如果接触是从数学模型中设定的，程序将填充所有 的间隙，忽略所有的初始渗透。（2） no separation（不分离）：这种接触方式和绑定类似。它只适用于面，不允许接触区域的面分离，但是沿着接触面可以有微小的无摩擦滑动。（3） frictionless（无摩擦）：这种接触类型代表单边接触，即，如果出现分离则法向压力为零，只适用 于面接触。因此，根据不同的载荷，模型间可以出现间隙。它用于非线性求解，因为在载荷施加过 程中接触面积可能会发生改变。假设摩擦系数为零，则允许自由滑动。使用这种接触方式时，需注 意模型约束的定义，要防止

55、出现欠约束。程序会给装配体加上弱弹簧，帮助固定模型，阻止可能 出现的刚性位移，以便得到合理的解。（4） rough（粗糙的）：这种接触方式和无摩擦类似，但表现为完全的摩擦接触，即没有相对滑动，只 适用于面接触。默认情况下，这种接触方式不会自动消除间隙，这种情况相当于接触体间的摩擦系 数为无穷大。（5） frictional（有摩擦）：这种情况下，在发生相对滑动前，两接触面可以通过接触区域传递一定的剪 应力。模型在滑动发生前定义一个等效的剪应力，作为接触压力的一部分，一旦剪应力超过此值， 两面将发生相对滑动。这种接触方式只适用于面接触，摩擦系数可以是任意非负值。在ansysworkbench中的

56、5种接触类型，其中 bonded和 no separation适应于线性分析，frictionless、rough和frictional用于设置非线性接触类型，适应于非线性分析。 数控车床主轴箱模型为装配体，在建立接触类型时考虑尽可能的接近实际情况，设置主轴与简化轴承的接触类型为no separation ,简化轴承与主轴孔内表面的接触类型设置为bonded。2.4.3 主轴模型的建立主轴有限元模型是否准确合理，直接影响到计算结果的准确性。因此建立一个准确合理的主轴有限元 模型对于主轴静动态性能的研究和后续优化设方t显得非常的重要。在建模的过程中，必须处理好模型中的各种参数：选择合理的材料单元、准确处理好结合处的连接方式、采用