[机械设计自动化精品] 数控机床滚珠丝杠的有限元分析 毕业设计.doc

2011届毕业论文毕业设计论文数控机床滚珠丝杠的有限元分析 学生姓名： 学号： 学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 机械工程与自动化学院2011 年 06月数控机床滚珠丝杠的有限元分析摘要滚珠丝杆副是一种在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的新型螺旋传动元件,它具有许多良好的机械传动性能,是机床进给系统中十分重要的部件，然而传统的解析方法难以完成精确而全面的计算和分析，因此必须对丝杠进行静力学和动力学研究。本文讨论了如何运用先进的有限元分析软件ansys，对数控机床滚珠丝杠进行静态分析和模态分析，研究了丝杠的无阻尼自由振动没得到了系统的固有频率和振型，为滚珠丝杠的合理使用和静态、动态性能的提高提供了可靠的依据。关键词：滚珠丝杠，静态分析，动态分析，有限元，ansys the fnite element analysis of ball screwabstractit is a ball screw between the screw and nut to a new type of rolling ball screw for the drive components. it has many good properties of mechanical transmission, machine tool feed system is a very important component. but traditional analytical methods difficult to complete accurate and comprehensive calculation and analysis. so it is necessary screw the static and dynamics. this article discusses how to use the advanced finite element analysis software ansys, ball screw on the static analysis and modal analysis to study the undamped free vibration of the screw did not get the system natural frequency and vibration mode for ball screws the rational use of bars and static and dynamic performance improvement to provide a reliable basis.key words: ball screw, static analysis, dynamic analysis, finite element, ansys目录1. 绪论11.1 滚珠丝杠副的工作原理11.2 滚珠丝杠副的特点21.3 滚珠丝杠副的安装31.4 滚珠丝杠副的防护和润滑61.4.1 滚珠丝杠副的防护61.4.2滚珠丝杠副的润滑61.5 滚珠丝杠副在高速数控机床上的应用61.6 ansys介绍71.6.1 cae的技术种类71.6.2 ansys软件提供的分析类型101.6.3 ansys的前处理模块121.6.4 ansys公司介绍142. 滚珠丝杠静态分析152.1 ansys有限元静态分析叙述152.1.1实体建模和网格划分152.1.2 约束处理152.2 具体分析步骤162.2.1 建立模型162.2.2 设置工作文件名和工作标题172.2.3 定义单元类型182.2.4 定义材料性能参数192.2.5 用网格划分器meshtool将几何实体模型划分单元222.2.6 加载和求解252.2.7 观察结果272.2.8结论333. 滚珠丝杠模态分析343.1 ansys有限元模态分析叙述343.1.1 实体建模和网格划分343.1.2 约束处理343.2 具体分析步骤353.2.1 建立模型353.2.2 设置工作文件名和工作标题363.2.3 定义单元类型373.2.4 定义材料性能参数393.2.5 用网格划分器meshtool将几何实体模型划分单元413.2.6 加载和求解443.2.7 观察结果473.2.8 结论55参 考 文 献56致谢58641. 绪论滚珠丝杆副是一种在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的新型螺旋传动元件，它的产生金和发展只经历了数十年的历史，然而它在国内外工程技术界人士中已引起了广泛的兴趣和重视。当今，滚珠丝杠副在机床工业、汽车工业、自动控制系统、航空工业、船舶工业和兵器工业等各个部门皆获得了日益广泛的应用。在此较短的时期内，它之所以能够得到如此迅速的发展和较普通的应用，主要的原因是由于滚珠丝杠副不可能具备的。总之，它具有许多良好的机械传动性能。所以，滚珠丝杠副已成为非常有效的、普遍适用的螺旋传动元件。此外，它又可以像滚动轴承那样，有专业厂家组织生产和供应，向用户提供一种新颖的配套元件，广大用户可根据各自的需要方便地进行选用和订购。国外对滚珠丝杠副的研究主要是日本、瑞士、德国、美国和韩国，虽然相关的文献并不多，但所研究的内容基本涵盖了丝杠副的结构、运动学、接触变形、刚度、载荷与寿命、摩擦、润滑、噪声、温升和热场分布等问题，基本上涵盖了滚珠丝杠副的各个方面，但是在滚珠丝杠副的性能研究方面多是20年前的工作，基本上是以中低速滚珠丝杠副为主。今年国内外学者对滚珠丝杠的静态分形、动态分析惊醒了研究改进，一般是在定性分析的基础上提出改进的方向。滚珠丝杠副有多种结构形式。按滚珠循环方式分为外循环和内循环两大类。外循环回珠器用插管式的较多，内循环回珠器用腰型槽嵌块式的较多。按螺纹轨道的界面形式分为单圆弧和双圆弧两种截形。由于双圆弧截形轴向刚度大于单圆弧截形，一般普遍采用双圆弧截形的丝杠。按预加负载形式分，可分为单螺母无预紧、单螺母变位导程预紧、单螺母加大钢球径向预紧、双螺母垫片预紧、双螺母差齿预紧、双螺母螺纹预紧。数控机床上常用双螺母垫片式预紧，其预紧力一般为轴向载荷的1/3。本文采用ansys有限元软件，建立滚珠丝杠的有限元模型，加载求解，进行静力学分析和动力学分析，为改善滚珠丝杠结构参数提供仿真实验数据。1.1 滚珠丝杠副的工作原理滚珠丝杠副的工作原理如图1.1.1所示。滚珠丝杠副是在丝杠和螺母之间填入适量的滚珠，使丝杠与螺母之间有滑动摩擦变为滚动摩擦的丝杠传动。滚珠丝杠副在机械传动中的作用，同样是可以将旋转运动变为直线运动，也可以将直线运动变为旋转运动。根据丝杠和螺母运动的组合情况，其传动方式也是多种多样的。图1.1.1工作原理图滚珠丝杠副一般是由丝杠、螺母、滚珠及滚珠循环返回装置四个部分组成。滚珠丝杠副就是指在具有螺旋槽的丝杠与螺母之间，连续填满滚珠作为中间体的螺旋传动。其工作原理如下：当螺母转动时，在丝杠与螺母间布置的滚珠一次沿螺纹滚道滚动，同时滚珠促使丝杠（或螺母）作直线运动。为了防止滚珠沿螺纹滚道滚出，在螺母上设有滚珠循环返回装置（反向器），构成一个滚珠循环通道。借助于这个返回装置，可以使滚珠沿滚道面运动后，经通道自动地返回到其工作的入口处，从而使滚珠能在螺纹滚道上继续不断地参与工作。为了消除间隙和提高传动精度及刚度，滚珠螺母常由两端组成。1.2 滚珠丝杠副的特点滚珠丝杠副与滑动丝杠副比较，它以滚动摩擦代替了滑动摩擦，因此，具有一下特点：（1） 摩擦损失小、传动效率高由于滚动丝杠副的摩擦损失小，其传动效率可达90%-96%，约为滑动螺旋机构效率的2-3倍。（2） 磨损小、寿命长通常，滚珠丝杠副的主要零件，如丝杠、螺母及滚珠都是经过淬硬的，并有很低的表面粗糙度：而且滚动摩擦的磨损很小，因而具有良好的耐磨性，即其精度保持性能好，工作寿命长。（3） 轴向刚度高由于滚珠丝杠副可以完全消除传动间隙，而不致影响丝杠运动的灵活性，因而可以获得较高的轴向刚度。通常，可以通过预紧来提高轴向刚度。（4） 摩擦阻力小、运动平稳由于是滚动摩擦，动、静摩擦系数相差较小，其摩擦阻力几乎与速度无关，而且静止摩擦力极小，启动力矩与运动力矩近于相等。因而灵敏度高，运动平稳，启动是无颤动，低速传动是无爬行现象。（5） 不自锁、具有传动的可逆性由于滚珠丝杠副没有自锁能力，故具有传动的可逆性。当它用于垂直升降传动系统时，必须增设自锁装置或制动装置，以防止产生传动。由于滚珠丝杠副具有上述有点，所以它日益广泛地应用于精密机械、机床、汽车、船舶、火炮、航空、航天和纺织等工业部门。1.3 滚珠丝杠副的安装数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度之外，滚珠丝杠正确的安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。螺母座及支承座都应具有足够的刚度和精度。通常都适当加大和机床结合部件的接触面积，以提高螺母座的局部刚度和接触强度，新设计的机床在工艺条件允许时常常把螺母座或支承座与机床本体做成整体来增大刚度。为了提高支承的轴向刚度，选择适当的滚动轴承也是十分重要的。国内目前主要采用两种组合方式。一种是把向心轴承和圆锥轴承组合使用，其结构虽简单，但轴向刚度不足。另一种是把推力轴承或向心推力轴承和向心轴承组合使用，其轴向刚度有了提高，但增大了轴承的摩擦阻力和发热，而且增加了轴承支架的结构尺寸。近面来国内外的轴承生产厂家已生产出一种滚珠丝杠专用轴承，这是一种能够承受很大轴向力的特殊向心推力球轴承，与一般的向心推力球轴承相比，接触角增大到60。，增加了滚珠的数目并相应减小滚珠的直径。这种新结构的轴承比一般轴承的轴向刚度提高了两倍以上，而且使用极为方便，产品成对出售，而且在出厂时已经选配好内外环的厚度，装配时只要用螺母和端盖将内环和外环压紧，就能获得出厂时已经调整好的预紧力。滚珠丝杠副安装方式通常有以下几种：1) 一端固定一端自由。丝杠一端固定，一端自由。如图1.3.1所示。固定端轴承同时承受轴向力和径向力。这种支承方式用于行程小的短丝杠或者用于全闭环的机床，因为这种结构的机械定位精良是最不可靠的，特别是对于长径比大的丝杠（滚珠丝杠相对细长），热变形是很明显的，1.5m长的丝杠的冷、热的不同环境下变化0.050.10mm是很正常的。但是由于他的结构简单，安装调试方便，许多高精良机床仍然采用这种结构，但是必须加装光栅，采用全闭环反馈。图1.3.1一端固定一端自由2) 一端固定一端支承。丝杠一端固定，另一端支承。如图1.3.2所示。固定端轴承同时承受轴向力和径向力；支承端轴承只承受径向力，而且能作微量的轴向浮动，可以避免或减少因丝杠自重而出现的弯曲。同时丝杠热变形可以自由地向一端伸长。这种结构使用最广泛，目前国内中小型数控车床、立式加工中心等均采用这种结构。图1.3.2一端固定一端支承3) 两端固定。丝杠两端均固定。如图1.3.3所示。固定端轴承都可以同时承受轴向力和径向力，这种支承方式，可以对丝杠施加适当的预紧力，提高丝杠支承刚度，可以部分补偿丝杠的热变形。对于大型机床、重型机床以及高精度镗床常采用此种方案。但是，这种丝杠的调整比较繁琐，如果两端的预紧力过大，将会导致丝杠最终的行程比设计行程要长，螺距也要比设计螺距大。如果两端螺母的预紧力不够，会导致相反的结果，并容易引起机床震动，精度降低。所以，这类丝杠在拆装时一定要按照原厂商说明书调整，或借助仪器（双频激光测量仪）调整。图1.3.3两端固定1.4 滚珠丝杠副的防护和润滑1.4.1 滚珠丝杠副的防护 滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动器件一样，应避免硬质灰尘或切屑污物进入，因此必须装有防护装置。如果滚珠丝杠副在机床上外露，则应采用封闭的防护罩，如采用螺旋弹簧钢带套管、伸缩套管以及折叠式套管等。安装时将防护罩的一端连接在滚珠螺母的侧面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。如果滚珠丝杠副处于隐蔽的位置，则可采用密封圈防护，密封圈装在螺母的两端。接触式的弹性密封圈采用耐油橡胶或尼龙制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配的形状；接触式密封圈的防尘效果好，但由于存在接触压力，使摩擦力矩略有增加。非接触式密封圈又称迷宫式密封圈，它采用硬质塑料制成，其内孔与丝杠螺纹滚道的形状相反，并少有间隙，这样可避免摩擦力矩，但防尘效果差。工作中应避免抨击防护装置，防护装置一有损坏应及时更换。1.4.2滚珠丝杠副的润滑 润滑剂可提高耐磨性及传动效果。润滑剂可分为润滑油和润滑脂两大类。润滑油一般为全耗损系统用油：润滑脂可采用锂基润滑脂。润滑脂一般加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内，而润滑油则经过壳体上的油孔注入螺母的空间内。每半年对滚珠丝杠上的润滑脂更换一次，清洗丝杠上的旧润滑脂，涂上新的润滑脂。用润滑油润滑的滚珠丝杠副，可在每次机床工作前加油一次。1.5 滚珠丝杠副在高速数控机床上的应用高速加工是面向21世纪的一项高薪技术，它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在航天航空、汽车工业、模具制造、光电工程和仪器仪表等行业中获得了越来越广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。为了实现高速加工，实现高速数控机床。高速数控机床必须同时具有高速主轴系统和高速进给系统，才能实现材料切削工程的高速化。为了实现高速进给，国内有关制造厂商不断采取措施，提高滚珠丝杠的高速性能。主要措施有：1) 适当加大丝杠的转速、导程和螺纹头数。常用大导程滚珠丝杠名义直径与导程的匹配为：40mm20mm，5025mm，50mm30mm等，其进给速度均可达到60m/min以上。为了提高滚珠丝杠的刚度和承载能力，大导程滚珠丝杠一般采用双头螺纹，以提高滚珠的有效承载圈数。2) 改进结构，提高滚珠运动的流畅性。改进滚珠循环返回装置，优化回珠槽的曲线槽型，采用三维槽型的导珠管和回珠器，做到沿着内螺纹的导程角方向将滚珠引进螺母体的滚珠运动的方向与滚道相切而不是相交。这样可把冲击损耗和噪声减至最小。3) 采用“空心强冷”技术。高速滚珠丝杠在运行时由于摩擦产生高温，造成丝杠的热变形，直接影响高速机床的加工精度。采用“空心强冷”技术，就是将恒温切削液通入空心丝杠的孔中，对滚珠丝杠进行强制冷却，保持滚珠副温度的恒定。这个措施是提高中、大型滚珠丝杠高速性能和工作精度的有效途径。4) 对于大行程的高速进给系统，可采用丝杠固定、螺母旋转的传动方式。此时，螺母一边转动、一边沿固定的丝杠作轴向移动，由于丝杠不动，可避免受临界转速的限制，避免了细长滚珠丝杠高速运转时出现的种种问题。螺母惯性小、运动灵活，可实现的转速高。5) 进一步提高滚珠丝杠的制造质量。通过采用上述种种措施后，可在一定程度上克服传动系统滚珠丝杠存在的一些问题。日本和瑞士在滚珠丝杠高速化方面一直处于国际领先地位，其最大快速移动数度可达60m/min，个别情况下甚至可达90m/min，加速度可达15m/s2.。由于滚珠丝杠历史悠久、工艺成熟、应用广泛、成本较低，因此在中等载荷、进给速度要求并不高、行程范围不太大的一般高速加工中心和其他经济型高速数控机床上仍然经常被采用。1.6 ansys介绍ansys软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ansys开发，它能与多数cad软件接口，实现数据的共享和交换，如pro/engineer, nastran, alogor, ideas, autocad等， 是现代产品设计中的高级cae工具之一。1.6.1 cae的技术种类cae的技术种类有很多，其中包括有限元法(fem,即finite element method),边界元法(bem,即boundary element method)，有限差法(fdm,即finite difference element method)等。每一种方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用的领域越来越广，现已应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。 ansys有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力； 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如pc，sgi，hp，sun，dec，ibm，cray等。 ansys发布10.0新版本 美国宾夕法尼亚州6月2日消息：作为优化产品研发流程的仿真技术及软件的开发者和革新者，ansys公司（纳斯达克股票代号：anss）今天发布ansys 10.0新版本。新版本在性能、易用性、协同工作及耦合技术，如流固耦合，等方面有很大提高。10.0新版本是在目前的9.0软件的基础上研发的，与其有很好的兼容性，将于7月正式投入市场。 延续了ansys一贯强大的耦合场技术，10.0版本为复杂的流固耦合（fsi）问题提供了更完善的解决方案。该版本整合了世界一流的应力分析和流体分析技术，形成了一套完整的fsi解决方案。通过适合于特定场要求的网格划分，一个单一的几何体可以应用于两种场。该版本提供了有效地解决fsi动力学分析的信息交换功能。目前市场上没有任何其他的fsi软件可以提供如此强大的稳健性和高度的精确性分析。另外，该版本可以在多个机群进行并行处理解决超大模。“ansys 10.0代表了最先进的cae整合技术，较9.0有了显着的提高” ，ansys公司总裁兼首席执行官jim cashman说，“我们一直致力于拓展ansys仿真技术的广度和深度，同时建立各种类型的仿真分析软件的空前大连盟。得益于ansys workbench整合cae技术的架构，我们创建了建模、仿真、分析、前后处理的一系列无缝链接。10.0新版本整合了世界上最优秀的结构、热、流体等分析功能。” ansys10.0加入了旋转机械和叶片设计工具，丰富了workbench环境下的行业化功能。即ansys blademodeler，一款针对旋转机械叶片构件的高效的三维设计工具；以及ansys turbogrid，一款高质量的叶片设计六面体网格划分工具。 “结合了ansys cfx和涡轮专用的前后处理cfd功能，10.0版本提供了涡轮机械设计和分析完整的解决方案，”ansys公司副总裁兼总经理chris reid说，“应力分析、计算流体动力学分析或流固耦合分析的模型可以直接建立，通过cad系统连通性，可以把模型扩展到上下游部件，最终完成整个模型的分析。ansys workbench是提供此功能上独一无二的环境，借此空气动力学工程师可以进行cfd设计，同时确认结构特征。这将大幅度缩短设计流程。” 在机械应用领域，ansys 10.0包括了ansys workbench下全部的热瞬态分析功能。这不仅帮助用户进行非常复杂的时域仿真，同时ansys workbench也可自动完成很多建模和求解工作。这样可以轻松快速地求解设备在一定运行时间内的热性能。 为了满足日益增加的对大型复杂问题及时有效的分析需求，ansys 10.0的并行求解器如今可增加了对cpu和通信技术的选择余地。除了支持ethernet和gigabit ethernet，ansys 10.0还支持myrinet和infiniband。相对于以前的架构，ansys 10.0能以最少的成本满足高性能的机群计算。 本着以低成本硬件设备提供高性能解决方案的目标，ansys workbench现可支持windows xp 64位机的amd和emt64芯片集。此项改革解决了许多用户在windows操作系统下运行大型模型所面临的2gb内存限制。另外，它也使得ansys用户不再需要写硬盘就能完成整个求解，从而节约求解时间。 对于用户，这将帮助他们更加经济有效地解决大型模型问题，如那些低频稳态和全瞬态电磁分析问题。ansys 10.0并行求解器可以解决高于一亿自由度的大型电磁问题，在cae行业独树一帜。 在高频电磁领域，10.0版本提供了一个新的模式端口。此端口大大简化了集成电路（ic）、射频识别(rfid)和射频微机电系统(mems)等多种设备分析传输线端口的建模。标准算例显示，利用此端口建模，可以显着缩小模型尺寸，在保证精确的频域计算结果前提下，节约30%到50%的求解时间和内存需求。 新版本增加了旋转机械的陀螺效应，它提高了ansys对涡轮机械和其他旋转结构的转子动力学分析的能力。 在耦合场领域，结构热电磁三场耦合分析中增加热弹阻尼(ted)，一个在金属、制陶及mems领域非常重要的内耗装置。ansys继续workbench主旋律，提供我们的用户可供选择的全自动或个人控制的强大分析软件。我们在核心的网格处理技术上有十足的增强，在ansys workbench各个应用程序间共享网格。另外，双向参数互动的cad接口的稳健性也得到了提高。ansys® icem cfd 10.0通过混合网格剖分新功能和cad模型细节处理功能，提供了完整的一系列网格划分工具以模拟真实世界，如汽车引擎罩下的散热分析和汽车碰撞分析。 “ansys 10.0是ansys跨出的又一大步，在每种场都是这样，也包括各种场在ansys workbench的耦合，”ansys公司副总裁兼总经理mike wheeler说，“没有其他任何一家cae公司可以与我们相匹敌，在一个单一的cae环境下提供如此广泛的解决方案。” ansys designspace 通过designspace，设计工程师可以在产品设计阶段对3d cad中生成的模型（包括零件和装配件）进行应力变形分析、热及热应力耦合分析、振动分析和形状优化，同时可对不同的工况进行对比分析。ansys/designspace拥有智能化的非线性求解专家系统，可自动设定求解控制，得到收敛解；用户不需具备非线性有限元知识即可完成过去只有专家才能完成的接触分析。 1.6.2 ansys软件提供的分析类型1. 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ansys程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。 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力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ansys可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。 3. 结构非线性分析 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。ansys程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。 4. 动力学分析 ansys程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。 5. 热分析 程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。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。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。 6. 电磁场分析 主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。 7. 流体动力学分析 ansys流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。 8. 声场分析 程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。 9. 压电分析 用于分析二维或三维结构对ac（交流）、dc（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型； 1.6.3 ansys的前处理模块ansys的前处理模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。 实体建模 ansys程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球 、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块 、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。ans ys程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作 能减少相当可观的建模工作量。ansys程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括 圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和 删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。 网格划分 ansys程序提供了使用便捷、高质量的对cad模型进行网格划分的功能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由 划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后 选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。ansys程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了 用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户 指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差 低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。 分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如pc，sgi，hp，sun，dec，ibm，cray等。 载荷 在ansys中，载荷包括边界条件和外部或内部作用力函数，在不同的分析领域中有不同的表征，但基本上可以分为6大类：自由度约束、力（集中载荷）、面载荷、体载荷、惯性载荷以及耦合场载荷。 1、 自由度约束（dof cinstraints）:将给定的自由度用已知量表示。例如在结构分析中约束是指位移和对称边界条件，而在热力学分析中则指的是温度和热通量平行的边界条件。 2、 力（集中载荷）（force）：是指施加于模型节点上的集中载荷或者施加于实体模型边界上的载荷。例如结构分析中的力和力矩，热力分析中的热流速度，磁场分析中的电流段。 3、 面载荷（surface load）:是指施加于某个面上的分布载荷。例如结构分析中的压力，热力学分析中的对流和热通量。 4、 体载荷（body load）:是指体积或场载荷。例如需要考虑的重力，热力分析中的热生成速度。 5、 惯性载荷（inertia loads）:是指由物体的惯性而引起的载荷。例如重力加速度、角速度、角加速度引起的惯性力。 6、 耦合场载荷（coupled-field loads）:是一种特殊的载荷，是考虑到一种分析的结果，并将该结果作为另外一个分析的载荷。例如将磁场分析中计算得到的磁力作为结构分析中的力载荷。 1.6.4 ansys公司介绍ansys，inc. (nasdaq: anss)成立于1970年，致力于工程仿真软件和技术的研发，在全球众多行业中，被工程师和设计师广泛采用。ansys公司重点开发开放、灵活的，对设计直接进行仿真的解决方案，提供从概念设计到最终测试产品研发全过程的统一平台，同时追求快速、高效和和成本意识的产品开发。ansys公司和其全球网络的渠道合作伙伴为客户提供销售、培训和技术支持一体化服务。ansys公司总部位于美国宾夕法尼亚州的匹兹堡，全球拥有60多个代理。ansys全球有1700多名员工，在40多个国家销售产品。 ansys公司于2006年收购了在流体仿真领域处于领导地位的美国fluent公司，于2008年收购了在电路和电磁仿真领域处于领导地位的美国ansoft公司。通过整合，ansys公司成为全球最大的仿真软件公司。目前，ansys整个产品线包括 结构分析(ansys mechanical)系列， 流体动力学(ansys cfd(fluent/cfx）)系列，电子设计（ansys ansoft）系列以及ansys workbench和 ekm等。产品广泛应用于航空、航天、电子、车辆、船舶、交通、通信、建筑、电子、医疗、国防、石油、化工等众多行业。 ansys中国是ansys, inc.在中国的全资子公司，在上海，北京，成都和深圳设有分公司，负责ansys在整个中国的业务发展和市场推广。目前在中国，ansys电子设计系列产品(原ansoft公司产品)由ansys中国直接负责市场、销售与技术服务等。ansys 机械和流体仿真设计产品以及ansys workbench和ansys ekm产品由渠道合作伙伴安世亚太科技有限公司（pera global）负责销售与技术支持。2. 滚珠丝杠静态分析2.1 ansys有限元静态分析叙述2.1.1实体建模和网格划分首先定义材料属性、实常数和材料单元类型属性等。丝杠材料采用45#钢，故可以通过查表等到所需要的各种参数。具体的参数值列于表2.1.1.1。表 2.1.1.1滚珠丝杠参数值属性名称属性值弹性模量/gpa210泊松比/%0.3密度/kgm-37850本次分析过程中选用solid 92单元，此单元是一种三维io节点等参单元，有较高的计算精度，并且特别适合曲线边界的拟和，能够满足丝杠有限元分析的精度要求。在建立模型的时候，考虑到较小计算的工作量，故在不影响精度的前提下对模型做了适当简化，忽略了不必要的螺纹和键槽等细节，其余螺纹向轴向投影为垂直于丝杠轴线的平面槽。由于ansys系统本身没有默认的单位设置（角度除外），因此在建模过程中要特别注意单位问题，要统一使用单位，否则最后的计算结果会出现错误（往往相差几个数量级）。在分析过程中，单位都用国际标准单位。以ansys12.0为工具来进行计算分析，利用anys强大的造型功能，如拉伸、移动、拷贝、布尔加减运算、粘接等，可方便地建模，并对该模型进行网格划分。在整个网格划分过程中，可以手动控制单元长度，也可以采用自由及映射方式划分。本次采用自由网格划分，并使用smart sizing自由单元大小，取划分精度为6。特别注意的是在网格划分的时候要注意网格的密度，不能太密，否则会导致计算量迅速增加，严重的可能会导致计算不能进行。同时网格你读也不能太稀疏，否则得不到比较精确的求解。2.1.2 约束处理该丝杠采用双推双推的支承结构形式，可以达到较高的刚度要求和位移精度要求。由于这种支承方式两端固定，故其两端3个方向的平移自由度（ux，uy，uz）全部被约束。所以在与轴承内圈接触的面上的所有节点都加上x,y,z3个方向的约束。选择分析类型为静态分析，设置分析选项。2.2 具体分析步骤2.2.1 建立模型1) 本文采用solidworks建立模型导入到ansys，在solidworks建立滚珠丝杠结构的有限元模型，如图2.2.1.1所示，另存为.x_t格式。图2.2.1.1滚珠丝杠模型2) 在ansys选取utility menu file import papa.命令，出现ansys connection for parasolid对话框，如图2.2.1.2所示，选取所在文件的目录，单击ok关闭该对话框。图2.2.1.2模型导入2.2.2 设置工作文件名和工作标题1) 选取utility menu file change jobname命令，出现change jobname对话框，在/filnam enter new jobname文本框中输入ball screw工作文件名,如图2.2.2.1所示，单击ok按钮关闭该对话框。图2.2.2.1定义工作文件名2) 选取utility menu file change title命令，出现change title对话框，在/titleenter new title文本框输入ball screw设置分析标题，如图2.2.2.2所示，单击ok按钮关闭该对话框。图2.2.2.2定义分析标题此非强制要求，但ansys推荐使用作业名和分析标题。作业名是用来识别ansys作业的。当为某项分析定义了作业名，作业名就成为分析过程中产生的所有文件名的第一部分。通过为每一次分析给定不同的作业名，可确保文件不被覆盖。3) 选取main menu preferences命令，出现preferences for gui filtering对话框。选择structural，如图2.2.2.3所示，单击ok按钮关闭该对话框。图2.2.2.32.2.3 定义单元类型1) 选取main menu preprocessor element type add / edit / delete命令，出现element types对话框如图2.2.3.1所示，单击add那妞，出现library of element types对话框。图2.2.3.12) 在library of element types对话框中选择solid，8node 92，在element type reference number文本框中输入1，如图2.2.3.2所示，单击ok关闭该对话框。图2.2.3.2选择网格类型3) 单击element types对话框上的close按钮，关闭该对话框。 2.2.4 定义材料性能参数1) 选取main menu preprocessor material props material models命令，出现define material model behavior对话框，如图2.2.4.1所示。图2.2.4.12) 在material models available一栏中依次单击structural、linear、elastic、isotropic选项，如图2.2.4.2所示，出现linear isotropic properties for material number 1对话框，在ex文本框中输入2.2e11，在prxy文本框中输入0.3，如图2.2.4.3所示，单击ok按钮关闭该对话框。图2.2.4.2图2.2.4.3定义弹性模量和泊松比3) 在material models available一栏中依次单击structural、density选项，如图2.2.4.4所示，出现density for material number 1对话框，在dens文本框中输入7850，如图2.2.4.5所示，单击ok按钮关闭该对话框。图2.2.4.4定义密度图2.2.4.5定义密度4) 在efine material model behavior对话框上选择material exit命令，关闭该对话框。2.2.5 用网格划分器meshtool将几何实体模型划分单元创建有限元模型，即生成确切描述物理原型特征的数学模型，是有限元分析中的关键步骤。ansys有两种创建有限元模型的方法：实体建模和直接生成。所谓直接生成法，即手工定义每个节点的位置和每个单元的连接。对于实体建模，先描述模型的几何形状，然后指示ansys自动对几何实体进行单元划分，产生节点和单元，可以控制由程序生成的单元的大小和形状。本文采用实体建模方法。选取main menu preprocessor meshing meshtool，弹出网格划分工具选项设置对话框，如图2.2.5.1所示。图2.2.5.1网格划分器将智能网格划分器（smart sizing）设定为“on”。将滑动码设置为“6”。确认meshtool的各项为：volumes，tet，free。按“mesh”，出现mesh volumes对话框，如图2.2.5.2所示。按“pick all”。生成的网格如图2.2.5.3所示图2.2.5.2图2.2.5.3生成的网格图ansys提供了多种自动网格划分技术，自动适应精度控制可为不同零件、不同区域指定不同的重要级别或计算精度，程序可自动通过计算判断精度网格细分计算的循环迭代达到预期的精度，其间程序可自动识别高应力区、高温度梯度区，并对这些区域进行网格细化。2.2.6 加载和求解1) 选取main menu solution analysis type new analysis命令，出现new analysis对话框。选择分析类型static，如图2.2.6.1所示，单击ok按钮关闭该对话框。图2.2.6.1分析类型2) 选取main menu solution define loads apply structural displacement on areas命令，出现apply u，rot on a.对话框，如图2.2.6.2所示。选取约束，使滚珠丝杠只沿z轴转动，单击ok按钮关闭该对话框。图2.2.6.23) 选取main menu solution define loads apply structural pressure on nodes命令，出现apply pres on nodes拾取菜单，点击滚珠丝杠上螺纹受力节点，单击ok按钮，出现apply f/m on nodes对话框。在lab direction of force/mom中选择fx，在value load pres value 文本框输入-3300，如图2.2.6.3所示，单击ok按钮关闭该对话框。图2.2.6.3加载x方向载荷4) 选取main menu solution define loads apply structural pressure on nodes命令，出现apply pres on nodes拾取菜单，点击滚珠丝杠上螺纹受力节点，单击ok按钮，出现apply f/m on nodes对话框。在lab direction of force/mom中选择fz，在value load pres value 文本框输入3300，如图2.2.6.4所示，单击ok按钮关闭该对话框。图2.2.6.4加载z方向载荷5) 选取main menu solution solve current ls命令，出现solve current load step对话框，如图2.2.6.5所示，单击ok按钮，ansys开始计算求解。图2.2.6.5计算求解2.2.7 观察结果1) 选取main menu general postproc plot results deformed shape命令，出现plot deformed shape对话框，如图2.2.7.1所示。在kund items to be plotted选项中选择def+undeformed选项，单击ok按钮关