本科毕业设计论文-旋转定位测试实验台的仿真及稳定性的ansys分析

全套设计（图纸）加扣扣194535455PAGEIII旋转定位测试实验台的仿真及稳定性的ANSYS分析摘要论文题目来自于某科研课题，要求设计测试某特定样品对γ射线吸收效果的专用试验台。测试实验要求同一样品上的任意点能进行重复测量，并且能够保证前后重复测量的重合度在实验误差范围内。基于测试实验对试验台精度与稳定性的要求，以及该设备设计改进需要，对旋转定位测试实验台进行仿真以及稳定性的ANSYS分析。本论文运用Pro/E对旋转定位测试实验台进行了三维建模与动画仿真，利用有限元分析软件ANSYS15.0对所建立模型中的推杆、齿轮、V型槽进行静力学分析，对丝杆进行谐响应分析。Pro/E运动仿真结果表明旋转实验台的运动满足研究需求；ANSYS的静力学与谐响应分析数据表明，各零部件变形在实验误差允许范围之内。分析旋转定位测试实验台所得出的数据、总变形云图（TotalDeformation）、等效应力分布云图（EquivalentStress）、等效应变分布云图（EquivalentElasticStrain）等为旋转定位测试实验台的后期优化设计给出了依据。关键词：旋转定位ANSYSPro/E静力学分析有限元分析

AbstractThetitleofthispaperofcomesfromsomeone’sresearchprojectrequirethedesignofspecialequipmentthatcantestingtheabsorbeffectofspecificsampleforgammaray.Thetestrequiresanypointinthesamesamplecanberepeatedthemeasurementandensuretherepeatedmeasurementofcoincidencedegreearewithinexperimentalerror.Basedonthetestrequirementsoftheprecisionstabilityandtheimprovementofdesign.AnalysisthetestbenchofrotationpositioningbymeansofthesimulationofthetestbenchandthestabilityanalysisofANSYS.ThispaperusePro/Eestablishthe3Dmodelandanimationsimulationoftestbenchofrotationpositioning,usethefiniteelementanalysissoftwareANSYS15.0chosethemodelpushrod,gear,Vgroovethathasbeenestablishedanalysisthepartofstaticstructural,pickwirerodanalysisthepartofharmonicresponse.ThePro/Emotionsimulationresultsuggestthatthemovementofthetestbenchofrotationpositioningmeettheresearchdemand;Theanalysisdataoftestbenchinstaticstructuralanalysisandharmonicresponseanalysisshowthepartsdeformationintheallowablerangeofexperimentalerror.Thedata,totaldeformationequivalentstress,equivalentelasticstrainetcthatgetfromtheanalysisoftestbenchgivethebasisforlaterstage’soptimizationdesign.Keywords:rotationpositioning；ANSYSPro/E；staticstructuralanalysis；finiteelementanalysis

目录TOC\o"1-3"\h\u10249摘要 I26747Abstract II11070第1章前言 1253741.1选题背景、意义及课题来源 2219441.2旋转定位测试实验台介绍 279771.2.1旋转定位测试实验台主要机构介绍 3202991.2.2旋转定位测试实验台操作流程介绍 522931.3旋转定位测试实验台国内外研究现状 6285321.3.1旋转定位测试实验台建模方法研究现状 6277581.4论文主要研究内容及研究方法 725422第2章旋转定位实验台分析软件介绍 9306452.1Pro/E介绍 9184612.2有限元法及ANSYS软件介绍 910232.2.1有限元法简介 1018522.2.2ANSYS软件介绍 1024140第3章旋转实验台Pro/E运动仿真与动画制作 13262273.1Pro/E运动仿真 13222473.1.1旋转试验台Pro/E装配 1361433.1.2旋转试验台仿真动画 1421966第4章旋转实验台的ANSYS静力学与谐响应分析 16122394.1实验台的ANSYS静力学分析 16254584.2推杆静力学分析 16204244.3V型槽静力学分析 19205974.4齿轮静力学分析 23110254.5丝杠谐响应分析 27154344.6结果分析 30165514.6.1推杆结果分析 31312064.6.2V型槽结果分析 31286334.6.3齿轮结果分析 3127844.6.4丝杆结果分析 31238974.7小结 3227829结论 335626致谢 344365参考文献 35全套设计（图纸）加扣扣194535455PAGE36

第1章前言1.1选题背景、意义及课题来源论文题目来自于核技术应用专业的科研课题，要求设计专用的实验台，测试某特定样品对γ射线吸收效果。实验台要求能对同一样品上的任意点进行重复测量，并且能够保证前后重复测量的重合度在实验误差范围内。实验台由2014届的陈涛学长完成了详细设计，并在2015年3月与严亚鹏同学合作完成了样机的加工与改进设计，交由核技术实验室完成了前期实验。设备使用人员及毕业设计指导老师要求针对该设备做出三维仿真设计和设备稳定性分析报告。由于该实验台应用于专业特殊领域，也没有对类似设备的研究，因此对该实验台的三维建模及动画仿真将为客户提供产品直观的功能和机构组成展示；对实验台的稳定性分析，主要针对其重要零部件进行的静力学分析和谐响应分析，将为设备的持续改进设计提供数据支持和改进方向，为设备的使用与维护提供指导。1.2旋转定位测试实验台介绍旋转定位测试实验台基于其应用范围的特殊性，属于专用设备。此试验台用于测量某样品对γ射线的吸收效果，测量要求：对样品任意点，进行对γ射线吸收率的重复测量，重复测量点要求前后重合度保持一致。这就要求试验台在第一次确定任意测量点之后，在之后的重复测量之中必须找到之前测量的那个任意点位。由于测量样品是圆饼状，所以从圆内任意点的定位方法这一思路出发，采用确定任意点位的圆心距及圆心角为参数要求，从而实现对任意点位的重复测量。旋转定位测试实验台的定位原理图如图1-1样品用半径为R的圆表示，并以圆心为原点O建立直角坐标系。其中任意点位在圆内。其位置通过参数半径r和圆心角α确定。图1-1旋转实验台定位原理在将任意点位的重复定位，这一理论转化为实际的机构进行实物制造时，采用了如图1-3普通的螺母丝杠和导轨结合的机构，进行任意点位的径向定位，这使得放射性光源相对于样品圆心的距离可在0-R范围内变动。如图1-2采用Ｖ型槽对样品进行定心，如图1-4利用可调弹簧和挡块对样品进行加紧。如图1-2采用两个啮合的大小齿轮传动对Ｖ型槽进行旋转，从而获得相应点位所需要的转角值α。通过上述机构对这两个参数的确定，就解决了任意点位重复定位的测量要求。1.2.1旋转定位测试实验台主要机构介绍旋转定位测试实验台主要由三大大机构组成：旋转定位机构、径向进给机构、夹紧机构。旋转定位机构如图1-2：采用一对大小齿轮啮合，利用步进电机带动小齿轮旋转从而带动大齿轮旋转。由于大齿轮与V型槽的一端是焊接在一起的，所以当步进电机工作时通过齿轮传动就带动了V型槽的旋转，从而达到了旋转角度α可控制的目的，其控制方式采用了对步进电机的PLC编程的方式来解决。因为小齿轮与大齿轮的齿数比为60:180，所以由其传动比与齿数比成反比为：2:1。此次步进电机的设定方式为：每按一下启动按钮，小齿轮转过角度为60°，由此可计算出大齿轮的转角位30°，所以夹紧在V型槽之上的样品旋转角度也为30°，因此可知同一半径之上，可以对12个点位进行重复测量，这个设定满足了研究者的研究需求。如果需要再增加测量点位可以对PLC编程语言进行修改。图1-2旋转定位机构径向进给机构如图1-3：采用左右两侧板支撑V型槽，利用丝杠和推杆对Ｖ型槽进行整体的径向进给，从而使得待测样品圆心，相对于放射性射线有径向为０-R的变化范围，这样就确定了任意点位的半径r参数，r的调节方式是通过旋转手轮来实现的。图1-3径向进给机构夹紧机构如图1-4：采用两个弹簧和螺钉相配合的方法夹紧样品。由于螺母的松紧可以人为调节所以可以调节不同的夹紧力，夹紧力的调节效果由弹簧的劲度系数K决定，对此可以采用不同劲度系数值的弹簧来满足要求。图1-4夹紧机构1.2.2旋转定位测试实验台操作流程介绍如图1-5为旋转定位测试实验台的具体工作图。首先通过图中的四个调节螺母和水平检测管将试验台的底座调节水平，接下来放置γ射线能量检测仪，然后人工向V型槽之中添加待测样品，并夹紧，之后放置γ射线源，通过径向进给控制手轮使样品相对于γ射线的偏移量达到适当值，记录第一测量点位数据，按下步进电机启动按钮测量第二点位数据，重复以上步骤直至这一半径上的第十二个点位，这样第一次的十二个任意点位数据已经测量出来了。保持其他部分不变进行这十二个点位的第二、三等多次重复测量，这就是旋转定位测试实验台的具体工作操作步骤。图1-5实验台工作1.3旋转定位测试实验台国内外研究现状由于设备应用领域的特殊性，旋转定位测试试验台属于应用于专用领域的专用设备，基于这种独特的现状，笔者在这里参考了本次研究实物的设计者，陈涛学长《样品旋转定位测试试验台的设计》一文。本文之中确切指出：“目前国内外还没有相关领域的研究，国内外目前还没有相关的设备，这是一个全新的课题[1]。”所以，针对旋转定位测试试验台的仿真和稳定性分析的专门文献也还没有，为此笔者就必须就此现状，给出应对之法，由于此设备运用了丝杆、齿轮、推杆、V型槽等成熟常用的零件，所以通过对国内外文献对这些传统零部件的建模和分析手段进行研究对本论文研究具有指导性意义。在《基于ANSYS的加工中心工作台组件的有限元分析及优化》一文中作者使用三维绘图软件Pro/E进行研究对象的建模，有限元分析则是使用ANSYS[2]。在三维建模之中主流软件有：UG、SolidWorks、CATIA、Pro/E，有限元分析软件有：ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC。基于现有的Pro/E基础，以及ANSYS在行业之中的广泛认可和与Pro/E的无锋对接，所以许建模分析的文献均采用Pro/E建模与ANSYS分析相结合的分析思路进行组合是研究，受到了广泛认可。1.3.1旋转定位测试实验台建模方法研究现状ANSYS是集磁场、电场、流厂、声场、结构分析于一体的通用有限元分析软件，能够实现多物理场的耦合[3]。在进行静力学分析时，可以采用ANSYS软件直接建模的方法对模型进行静力学分析，也可以利用其它强大的CAD软件进行建模，然后导入到ANSYS进行相关的静力学分析。基于ANSYS软件分析平台，以静力学理论分析技术为基础，以有限元分析方法为核心，利用Pro/E的三维建模功能建立工件模型后，导入ANSYS软件进行分析[4]。在此文中采用Pro/E建立模型，导入ANSYS进行分析的方法进行机床螺母的稳定性分析。ANSYS静力学分析功能强大，但几何建模存在不足，然而Pro/E建模功能强大，但静力学分析不足，利用ANSYS与CAD软件的无锋对接特点，采用结合ANSYS和Pro/E软件各自优势的综合分析方法，即利用Pro/E强大的建模功能，对所分析的对象进行几何建模，然后将建立的模型另存为ANSYS所支持导入格式，导入到ANSYS中进行相关分析，取长补短，结合各软件的优势，对工作内容进行模块化分解，然后让各软件的优势对其所对应的工作模块内容进行分析之后整合结果的分析方法越来越成为一种趋势。通过笔者自己的思考，以及大量的实际操作验证之后，明确验证了采用Pro/E建模并另存为IGS格式导入ANSYS软件中进行分析的结果，与直接在ANSYS之中建模并分析的结果一致，因此对于建模这里笔者采用Pro/E进行建模，另存为IGS格式导入ANSYS进行相关的分析方法。1.4论文主要研究内容及研究方法由于旋转验台应用于专用领域，以及此实验台第一次投入使用的背景，实验台潜在问题的不可知性，以及下一代产品的改进需求，所以针对实验台的稳定性分析和仿真是必不可少的过程。本文将对专用设备旋转定位测试实验台进行仿真及稳定性的ANSYS分析，但是试验台零件众多，分析得抓住重点，本实验台主要的零部件有：左侧板、右侧板、底板、V型槽、大小齿轮、推杆、底板、丝杆等。通过对零部件的使用环境以及在实验台之中的作用，选取V型槽、大小齿轮、推杆、丝杆进行分析，选取的依据如下。齿轮传动是机械传动中重要传动方式之一，具有传动比准确、传动功率大、传动效率高、和使用寿命长等特点。由于齿轮传动应用范围广，使用时间长，容易出现一些故障。60%以上的机械故障中是齿轮失效，其中齿面疲劳损坏和齿根断裂又是齿轮失效主要现象[5]。V型槽直接用于样品的旋转定位，V型槽的形变将影响到定位点的角度定位，推杆和丝杆为径向进给确定径向参数r的主要传动机构和受力机构其形变会影响到定位精度所以需要进行分析。本实验台的三维建模和仿真采用Pro/E软件进行，重要零部件的有限元分析采用ANSYS软件。第2章旋转定位实验台分析软件介绍2.1Pro/E介绍Pro/ENGINEER(简称Pro/E)软件由美国PTC公司开发，它同时具备CAD/CAM/CAE功能，是国际上最先进的基于特征的实体造型软件之一，现在在世界各国有着非常广泛的应用[6]。作为一款被广泛认可的实体造型软件，Pro/E具有以下特点：1全相关性。区别于其它三维造型软件最大的不同点，Pro/E采用单一的数据库，将设计数据存储于同一数据库以内，这样就是的Pro/E的零件设计具有设计柔性的特点，在修改设计零件某一参数的时候其相关的数据均会发生改变，这种设计适应了生产柔性化的要求。2参数化设计。由于Pro/E所有的设计设计数据，都存储于一个数据库之中，所以当我们对某一三维图的参数作出修改时，与之相对应的二维图值和装配图参数均发生变化，这样极大的减少了设计人员的工作量，提高了设计效率。3三维实体模型。采用三维实体的方式展示零件以及装配过程，这样的展示方式更贴近与实物，使设计更加的直观化，采用实体装配解决了二维装配图难学、难懂的状况，更近一步的采用实体进行三维仿真的展示，节约了设计成本提高了产品的生产效率。4与大多数CAD软件的对接。基于Pro/E在三维造型上的优势在结构分析上的短板，Pro/E与大多数的CAD软件有对接的功能，如AutoCAD,ANSYS等。所以在所遇问题之中涉及到建模，选择Pro/E进行建模然后存为支持的格式导入的方法可行。2.2有限元法及ANSYS软件介绍ANSYS是一款数值分析型软件，由于其使用的理论核心是有限元法，所以在对ANSYS进行学习时对有限元法进行理论的学习时必不可少的。作为一款数值分析软件，ANSYS可以进行流体力学分析，固体力学力学分析，电磁场分析和温度场分析，运用了数值解析法。数值解析法又分为：有限体积法，有限差分法，边界法，有限元法和无网格法等[7]。ANSYS主要使用了数值解析法中的有限元法对连续体进行有限单元划分，并且还部分使用了无网格法和有限体积法对其它特殊情况进行处理，针对不同的分析设立了许多分析系统。2.2.1有限元法简介有限元法，也叫有限单元法，它的基本思想是将一个结构或连续体的求解域离散为若干个子域（单元），并通过其边界上的节点相互连接成组合体[8]。通俗的来说也就是将复杂的问题简单化，例如：微积分的思想也就是将曲线无限的离散，之后以直线替代曲线进行积分从而算出不规则体的面积，体积的等。有限元法首先将需要求解的求解区域划分成若干个相互连接的单元，然后对每个单元给出一个适当且简单的近似解，接下来就开始推导满足整个求解域的各种条件，最后进行求解便得到了整个问题的解。由于这个解是近似解所以不是很准确，但它的精度很高，如果在对其边界条件，载荷，约束，单元特征等特点的加以具体的细化就会得到一个准确的结果，有限元法的基本步骤如表2-1。表2-1有限元法步骤1结构离散2单元分析①建立位移函数②单元刚度方程③计算等效节点应力3进行单元集成4得到节点位移5根据弹性力学公式计算单元应变、应力2.2.2ANSYS软件介绍ANSYS软件是融结构、流体、电厂、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界最大的有限元分析软件公司之一、美国ANSYS公司开发，它能与多数的CAD软件接口，实现数据的共享和交换[9]。在本篇论文中主要运用了结构分析，在结构分析之中选择了staticstructuralanalysis(结构静力学分析)模块，在振动分析之中选择harmonicresponse（谐响应分析）。ANSYS的多数功能包含在WORKBENCH的工具箱菜单之中。此次使用的软件版本为ANSYS15.0其工具箱如图2-1这五个项目之中，第一个是分析系统，是所有系统之中最常用的，第二个是组件系统，它构成了分析系统的各组成元素，用户可以根据需求，自由组合自己所需的分析系统，第三个是耦合分析，即多物理场的耦合，第四个是优化设计，第五个是外部连接系统。图2-1ANSYS工具箱图2-2ANSYS分析类型如图2-2是分析系统下的各种分析类型，看上去非常繁多，但是也就分为四个大类：电磁场、固体、流体、热等其它分析，在固体分析之中又包含静力学分析与动力学分析。ANSYS的分析流程操作大体分为四大板块。如表2-2。表2-2ANSYS分析流程1初步确定分析类型：静力学分析、模态分析单元类型：壳单元、实体单元模型类型：零件、组件2前处理建立、导入几何模型定义材料属性网格划分3求解施加载荷和约束求解4后处理查看结果得出结论检验结果正确性在进行实际的分析时，首先明确分析的类型，ANSYS不同的分析模块适用不同的分析内容，需要对症下药。模型方面可以采用直接建模，或者采用其它的建模软件进行模型建立转化为ANSYS支持的格式之后导入模型即可。模型的具体材料属性需要具体的设置，在EngineeringData(工程数据)之中添加具体的材料如灰铸铁、不锈钢、结构钢、铝合金等添加完成之后也可以对这些材料的杨氏模量和泊松比进行具体的设置。材料设置完成之后，将进行网格划分，网格化分的质量将直接影响分析的结果。网格划分有五种方法：扫掠网格划分(Sweep)、多域网格划分(MultiZone)、四面体网格划分（Tetrahedrons）、自动网格划分(Automatic)、六面体主导的网格划分(HexDominant)[10]。扫掠法适合规则几何体。多域法适合形体复杂的几何体，它可以将复杂几何体分为多个部分部后，再进行划分网格。四面体法适合与在扫掠法和多域法不适用的情况。自动就是在软件自动进行网格划分，该方法实际上是四面法和扫掠法二者之间的自动切换，适用于初学者。六面体主导法适用于表面质量要求高的场合，在尽量使用六面体划分之后无法划分至处用四面体填充。第3章旋转实验台Pro/E运动仿真与动画制作3.1Pro/E运动仿真Pro/E软件是当前流行的三维造型软件,易学易懂。Pro/E中“机构”模块是专门用来进行运动仿真和动态分析的模块[11]。基于这一特点采用Pro/E进行旋转定位测试实验台的三维组件装配、机构设置、动画制作。在进行动画制作需要进行建立组件，进行零件的装配，然后进行机构的设置、电机的设置、运动的定义、定向视图设立、定时透明设立等。3.1.1旋转试验台Pro/E装配区别于现实中零件的配合关系：过渡配合、间隙配合以及过盈配合，Pro/E组件界面之中的零件的装配方式是以自由度来区分的，有销钉连接、滑动杆连接、刚性连接、圆柱连接、平面连接、球连接、焊缝连接、轴承连接、槽连接、坐标系连接、一般连接。如图3-1是旋转试验台的总装图，表3-1是个零件和机构的明细表。各部分的连接状况设置如下，螺钉连接：V型槽与左右侧板，底块与螺钉，轴承与轴，手动丝杆与推杆，步进电机与小齿轮，大齿轮与V型槽，待测样品与V型槽；滑动杆连接：左右侧板与底板，V型槽与夹紧机构；刚性连接：推杆与左右侧板。图3-1实验台Pro/E总装图表3-1零部件明细编号名称数量/件1底块42底板13螺钉44小齿轮15大齿轮16V型槽17夹紧机构18待测样品19左侧板110轴承411推杆112手动丝杆113步进电机114右侧板13.1.2旋转试验台仿真动画进行实验台的连接之后，定义齿轮机构，伺服电机，运动方式设定，动画的定时视图设定等设置，启动动画，设置帧数，回放动画便可以完成仿真动画的制作。由于实验台的运动要求是：步进电机每启动旋转一次小齿轮旋转角度为60°，因为小齿轮与大齿轮的传动比为1:2所以大齿轮每次转动角度为30°，基于此要求在动画的设计之中采用小齿轮转速为6度/秒转动10秒之后暂停2秒之后重复这个运动方式，这样的运动设置符合对样品任意点位的测量要求。运动方式设置如图3-2，动画设计图如图3-3，动画以视频方式提交。3-2伺服电机运动方式图图3-3动画设计

第4章旋转实验台的ANSYS静力学与谐响应分析4.1实验台的ANSYS静力学分析在有限元分析之中，结构静力学分析是所有分析之中最基础的分析方法，工程应用之中常常会用到的计算方法就是静力分析。机械或工程结构都是由构件或零件组成的,当机械或工程结构工作时，任一构件都将受到外载荷的作用,在外载荷作用下构件的尺寸和形状将发生变化，称为变形,当外载荷超过一定限度时，构件将发生破坏[12]。因此对实验台进行有限元分析之后生成总变形图，应力分布图，应变分布图将为试验台的结构优化，零件改进，提供直观的图像和数据依据。进行结构静力学分析是有前提假设的，假设大体分为六点。连续性假设，均匀性假设，各项同性假设，弹性假设，小变形假设，缓慢的加载与卸载过程[13]。静力学的一般分析步骤如表4-1所列。表4-1ANSYS静力学分析流程创建结构静力学分析（StaticStructural）项目分析图表工程数据库(EngineeringData)定义材料属性创建或导入几何模型模型的网格划分定义约束施加载荷设置求解项求解结果处理4.2推杆静力学分析推杆是旋转试验台控制径向移动，改变测量点位半径参数传递推力的主要零件。由于在现实在实际分析之中不可能做到完全模拟，所以在进行模型建立、定义约束施、加载荷是就必须忽略次要因素，对模型进行适当的简化。推杆在Pro/E之中进行建模之后，另存为IGS格式导入到ANSYS中，定义材料为铝合金(AluminumAlloy)弹性模量：71000Mpa,泊松比：0.33,抗拉屈服强度280Mpa。网格划分：首先进行自动网格划分设置网格相对值（Relevance）为100，单元尺寸（ElementSize）2mm其它值按照默认值。插入网格划分方法，由于六面体网格的计算精度是最高的，但是对几何形状有规则的要求，因此在尽量多采用六面体单元的前提下，设置划分方法为六面体主导的网格划分(HexDominant)，网格划分结果如图4-1。图4-1推杆网格划分网格划分数据结果为：节点数（Nodes）73047，单元数（Elements）17403。定义约束施加载荷：左右两端面小孔设置固定约束对对中间的大孔平面施加12N的压力，压力的计算时通过计算实验台所受的摩擦力，通过压力和摩擦力平衡得出的。摩擦力F摩=u·FN，摩擦系数查表之后取0.32，正压力值等于底板上部的分所受的重力，经计算其值为70.5N,所以0.5·F摩=11.28N，取12N,图4-2为其加载图。设置求解项：总变形云图（TotalDeformation），等效应力分布云图（EquivalentStress），等效应力分布云图（EquivalentElasticStrain），X轴方向变形图，Z轴方向变形图。云图结果如图4-3，4-4，4-5，4-6,4-7。图4-2推杆力的加载图图4-3推杆总变形云图图4-4推杆等效应力分布云图图4-5推杆等效应变分布云图图4-6推杆X轴方向变形图图4-7推杆Z轴方向变形图结论最大变形量为1.1341e-003mm，最大应力值为0.80174Mp小于抗拉屈服强度280Mpa,最大的应变值为1.9449e-005mm/mm。X轴方向变形最大值为2.7796e-005mm，Z轴方向变形最大值为2.2436e-005mm可以非常容易的看出推杆的中间孔出的变形最大，孔两侧和端面小孔应力集中最严重。4.3V型槽静力学分析首先设置材料为：铝合金(AluminumAlloy)弹性模量：71000Mpa，泊松比：0.33，抗拉屈服强度280Mpa。采用自动网格划分与六面体主导的网格(HexDominant)划分方法，网格相对值（Relevance）为100单元尺寸（ElementSize）3mm。节点数（Nodes）82303，单元数（Elements）20228，划分结果如图4-8。在旋转试验台之中，V型槽用于对待测样品进行定心和旋转，受到夹紧机构在左侧的夹紧力，自身重力，左右侧板的支撑力。自由度方面只有绕两端圆柱轴线的旋转自由度。加载重力加速度，由公式F=k·x，k=5N/m,x=200mm计算得左侧面为夹紧力1N，由V型槽的重力为7N所以左右侧板支撑力3.5N,限制左右端面的沿X、Y、Z轴的移动自由度。设置求解项：总变形云图（TotalDeformation），等效应力分布云图(EquivalentStress），等效应力分布云图（EquivalentElasticStrain），沿X、Z轴的变形图。云图结果如图4-9,4-10,4-11，4-12,4-13。最大变形量为2.7717e-004mm，最大应力值为9.0261e-002Mpa小于抗拉屈服强度280Mpa,最大的应变值为1.4023e-006mm/mm，X轴方向最大变形为1.63e-005mm,Z轴方向最大变形为2.766e-004mm。图4-8V型槽网格划分图图4-9V型槽总变形云图图4-10V型槽等效应力分布云图图4-11V型槽等效应变分布云图图4-12V型槽沿X轴方向变形云图图4-13V型槽沿Z轴方向变形云图可以得出结论，V型槽的中部偏左部分应力较集中，变形量最大在竖直向下的位移量最大，水平方向变形量次之。由这两个参数可以通过勾股定理：a2+b2=c2算出理论定心与实际定心的偏移距离为：2.777e-004mm。4.4齿轮静力学分析齿轮是机械中最重要的零件之一，其形状比较复杂，传统上一般以安全系数、许用应力为基础进行设计，带有很大的近似性，计算结果无法外推到复杂载荷状况下，缺乏真实的应力应变分布规律[14]。在ANSYS中对齿轮啮合的地方进行接触设置，在主动齿轮的内孔表面加载电机的最大转矩。设置两齿轮的边界条件，只保留其绕轴的转动自由度，其他自由度均限制。设置求解项：总变形云图（TotalDeformation），等效应力分布云图(EquivalentStress），等效应力分布云图（EquivalentElasticStrain）。齿轮的参数如表4-2所列。齿轮关系式为：HA=(HAX+X)*MHF=(HAX+CX-X)*MD=M*ZDA=D+2*HADB=D*COS(ALPHA)DF=D-2*HFD6=360/(4*Z)D9=BIFHAX<1D14=0.46*MENDIFIFHAX>=1D14=0.38*MENDIFD15=360/ZD22=360/ZP23=Z-1D72=360/(2*Z)渐开线方程为：r=DB/2theta=t*45x=r*cos(theta)+r*sin(theta)*theta*pi/180y=r*sin(theta)-r*cos(theta)*theta*pi/180z=0表4-2齿轮参数名称材料齿数模数压力角变位系数内孔直径齿宽底隙系数齿顶高系数大齿轮铝合金1600.520°01250.251小齿轮铝合金800.520°0550.251首先设置材料为：铝合金(AluminumAlloy)弹性模量：71000Mpa，泊松比：0.33，抗拉屈服强度280Mpa。由于齿轮形状复杂且不规则，所以采用自动网格划分方法，网格相对值（Relevance）为50单元尺寸（ElementSize）5mm，节点数（Nodes）86870，单元数（Elements）11545。插入六面体主导的网格划分方法，划分结果如图4-14。接下来是接触的设置小齿轮为主接触面，大齿轮为被接触面。由于步进电机的最大转矩为0.55N·m，所以施加载荷小齿轮的转矩设置为0.55N·m，添加边界条件为两齿轮只有绕轴的转动自由度，添加总变形云图(TotalDeformation），等效应力分布云图(EquivalentStress），等效应力分布云图（EquivalentElasticStrain），等效应力放大图如图4-15，4-16，4-17，4-18。图4-14齿轮网格划分图图4-15齿轮总变形云图图4-16齿轮等效应力分布云图图4-17齿轮等效应变分布云图图4-18齿轮接触部位放大等效应力分布云图最大变形量为4.5267e-002mm，最大应力值为23.025MPa，小于抗拉屈服强度280Mpa,最大的应变值为4.9814e-004mm/mm，从图4-18中可以看出齿轮接触部位的齿根、齿顶应力最大，这主要是由于加工过程中在齿根部位的刀痕所造成的。4.5丝杠谐响应分析谐响应分析是一种特殊的是与分析，计算机构在正弦激励（激励随时间程正弦规律变化）作用下的稳态振动，也就是受迫振动分析，可以计算响应幅值、频率等也称为频率响应分析或扫频分析[15]。由于在进行旋转实验台点位径向参数的确定时，需要手动控制进给手轮，以便于整个实验台相对于γ射线偏移一定距离，其调节的次数较多，且为外加载和故可以将这个载荷简化为周期性载荷。在实际的使用之中通过肉眼的观察也可以观察到在丝杆的进给速度加快时有明显的摆动，这种摆动是由于普通螺母丝杆本身的结构所决定的，在精度要求高的场合，常采用滚珠螺母丝杠进行替代，但是在研究经费的限制下，由于滚珠螺母丝杠的造价远远高于普通丝杠，所以在满足研究精度的要求之下用ANSYS对其谐响分析是具有意义的。在Pro/E之中建立模型丝杆的参数为螺距为0.5mm，螺纹长度为280左端两圆柱长度为20mm、10mm。右端为10mm总长为320mm建模的图如图4-19。图4-19丝杆Pro/E建模图建立谐响分析项目图表(HarmonicResponse)导入模型后首先设置材料为：不锈钢(stainlesssteel)弹性模量193000Mpa，泊松比：0.31抗拉屈服强度207Mpa，；采用自动网格划分方法，网格相对值(Relevance）为100单元尺寸(ElementSize）2mm；节点数（Nodes）65635，单元数（Elements）37887。施加载荷与约束：轴承载荷（BearingLoad）加载与左端圆柱面之上大小为20N，约束的设置选择固定约束（fixedsupport）为左右两边的端面，载荷的是于实际手控估算的较大值。插入总变形云图(TotalDeformation），等效应力分布云图(EquivalentStress），等效应力分布云图（EquivalentElasticStrain）,频率响应图（FrequencyResponse）如图4-20，4-21，4-22，4-23。图4-20丝杆总变形云图图4-21丝杆等效应力云图图4-22丝杆等效应变云图图4-23丝杆频率响应图从数据的输出项之中可以得出出，最大变形量为1.2167e-003mm，最大应力值为0.11892MPa,最大的应变值为6.1667e-007mm/mm；从频率响应图之中可以看出当频率为600Hz时振幅（Amplitude）最大为2.6593e-005mm，此时的相位角（PhaseAngle)为0°即在600Hz振动最为大达到了共振。4.6结果分析在进行结果分析之前，需要做四点说明。①网格的大小关系到计算的精度，同时网格越小计算所耗费的计算机内存越大，计算时间越长，所以在精度和效率之间必须达到一个平衡。②在此次研究之中最为关注的为零件的变形，且所有变形均为小变形，从云图所观察到的变形图像是经过了处理，放大变形了效果目的在于我们能直观的观察到变形效果。③所有零件与机构的最大应力值均小于其弹性模量，即所有的而变形不会使零部件破坏。④基于分析环境设置与现实环境的差别，在把握主要矛盾忽略次要矛盾的总体把握下，对部分模型和载荷及约束进行了简化。4.6.1推杆结果分析推杆使用频率高其变形会影响到测量点位的偏移，重点在于X轴和Z轴的变形，其变形量分变为2.7796e-005mm，2.2436e-005mm，由勾股定理可以算出其偏移理论点位的距离为3.5721e-005mm。左右两端面上的孔存在明显的应力集中现象，解决办法可以采取①改变孔的形状将圆孔改为椭圆孔；②在侧板上打通孔，直接使侧板上的方形孔与推杆配合去除圆孔；相比之下椭圆孔加工难成本高第②种方法更加简单实用。4.6.2V型槽结果分析V型槽用于待测样品的定位其形变将直接导致待测点位的偏移。根据V型槽X轴方向最大变形和Z轴方向最大变形数据采用与推杆相同的计算原理，其偏移理论位点位的距离为2.777e-004mm，由于其变形量和材料的刚度有关，为提高其刚度并减少其质量，可以采用槽的主体部分选用刚度较高的不锈钢其它的管状部分可以采用铝合金。4.6.3齿轮结果分析齿轮的结果数据表明：变形的大小和电机的转矩大小成正比，电机最大转矩为0.55N·m此时的最大变形量为4.5267e-002mm，应力的集中部位出现在接触部位的齿根和齿顶部位，与键的接触部位，可以采用适当的增加过渡圆角的半径，以及消除加工过程之中的加工刀痕以减小应力集中。4.6.4丝杆结果分析丝杆的频率响应图可以知道当振动的频率到达600Hz是丝杆出现最大的振幅为2.6593e-005mm，此时的相位角为0°为避免由于外部频率的变化造成振幅过大从而影响点位定位精度，可以利用物体的固有频率由其大小、形状、结构决定的原理，采用其质量可变改变大小在右端面加一个螺纹孔利用螺丝是否添加改变其质量。4.7小结从以上的数据以及研究人员的反馈来看，可以对试验台部分零部件做出局部改进。夹紧机构可以采用电磁铁的原理，采用控制电流大小对夹紧力进行控制，也可以采用电机带动螺旋机构进行夹紧的方法，这主要是为了避免因人工夹紧所带来的误差。推杆两端的圆孔可以直接不要，从而防止应力集中；V型槽可以采用刚度较大的材料制造，并将左右两端尽量设计为对称从而使得应力分布均匀；为避免丝杆传动过程之中的摆动可以采用滚珠螺母丝杆；方形底板可以将四个角进行倒圆角，使之美观，避免对搬运者的割伤和碰伤。结论从Pro/E的装配以及仿真动画中，可以直观的看出旋转定位测试实验台所要求的运动方式，是可以达到的，可以满足一个圆周内测量12个点位的要求。测量点位的数量，可以根据研究需要对程序进行修改，以满足不同的实验。从静力学和谐响应分析最终的分析数据来看，推杆在竖直方向最大变形为2.2436e-005mm，V型槽在竖直方向最大形变为2.766e-004mm累计在竖直方向的最大变形量为2.99036e-004mm也就是约等于0.3μm在水平方向推杆与V型槽最大变形分别为：2.7796e-005mm，1.63e-005mm累计最大变形量为4.4096e-005mm，约为0.