轴承套圈自动车床主轴箱动态特性分析-毕业论文

分类号 密级 编号 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 轴承套圈自动车床主轴箱动态特性分析 学位申请人 学位申请人 学科专业 学科专业 机械制造及其自动化机械制造及其自动化 指导教师 指导教师 答辩日期 答辩日期 华东交通大学 硕士学位论文任务书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 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 得到位移响应曲线 6 在上述分析的基础之上 对液压刀塔的关键部件进行了优化分析 提供了改 善高速车床液压刀塔箱体结构和刚度的合理方案 接受任务时间2012 年月 日学生签名 导师签名日期 年 月 日 华东交通大学华东交通大学 20122012 届硕士学位论文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高速高精数控车床液压刀塔动态特性分析机电工程学院机电工程学院 独创性声明独创性声明 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 意 本人签名 日期 关于论文使用授权的说明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 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 日期 摘要 I 轴承套圈自动车床主轴箱动态特性分析轴承套圈自动车床主轴箱动态特性分析 摘要摘要 随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 GSCK200A 型高速高精数控车床 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 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 提出了结构优化方案 关键词 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 ABSTRACT II Characteristics Analysis for the Hydraulic Tool Turret of High speed High precision CNC Lathe ABSTRACT Along with the increasing advance of requirements of NC machining speed and precision by manufacturing deepening of the study on high speed high 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 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 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 turret of this project 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 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 force 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 analysis 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 element method dynamics characteristics harmonic response optimization ABSTRACT III 目录 IV 目录目录 主要符号说明 I 第一章 绪论 1 1 1 课题的来源 1 1 2 研究的背景和意义 1 1 3 国内外研究概况 3 1 4 本文主要研究内容 5 第二章 轴承套圈自动车床主轴箱结构的静态分析 6 2 1 主轴箱的组成结构 6 2 2 静态分析理论基础 7 2 3 有限元理论基础 8 2 3 1 有限元方法介绍 8 2 3 2 ANSYS 有限元软件介绍 9 2 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 16 2 4 1 主轴箱结构有限元模型的处理 16 2 4 2 受力分析和约束条件的确定 11 2 4 3 主轴的静力学分析 17 2 5 箱体结构的静力学分析 16 2 5 1 主轴箱结构有限元模型的处理 16 2 5 2 受力分析和约束条件的确定 11 2 5 3 箱体的静力学分析 17 2 6 本章小结 23 第三章 主轴箱结构的动力学分析 24 3 1 结构动态分析的理论基础 24 3 1 1 模态分析的基本原理 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 28 3 3 箱体模态分析 34 3 4 本章小结 37 第四章 主轴箱结构有限元谐响应分析 38 4 1 谐响应分析理论基础 38 4 1 1 谐响应分析的基本原理 38 目录 V 4 1 2 谐响应分析的方法 39 4 1 3 谐响应分析的基本步骤 39 4 2 主轴谐响应分析 40 4 3 箱体谐响应分析 4 4 本章小节 44 第五章 主轴箱结构的动态结构改进 45 5 1 优化设计理论 45 5 2 OptiStruct 的优化分析 46 5 3 优化设计模型的建立及优化分析 47 5 3 1 主轴的优化 5 3 2 箱体的优化 5 4 本章小结 49 第六章 总结与展望 50 6 1 主要工作回顾 50 6 2 本课题今后需进一步研究的地方 50 参考文献 51 个人简历 在读期间发表的学术论文 54 致谢 55 主要符号说明 I 主要符号说明主要符号说明 主切削力 z F 背向力 y F 进给力 x F 主切削力系数 z F C 背向力系数 y F C 进给力系数 x F C 切削深度 a 进给量 f 切削速度 离合器拉紧力 D F 离合器的计算转矩 c T 离合器牙分布的圆周平均直径 m D 轴直径 d 滑键连接的摩擦系数 1 牙面摩擦角 牙面倾斜角 离合器的理论转矩 T 工作情况系数 K 为结点力矩阵 T F 弹性模量 E 泊松比 为单元刚度绝阵 1 K 质量矩阵 M 刚度矩阵 M K 加速度向量 X 位移向量 X 特征向量 i 位移响应滞后激励载荷的相位角 第一章第一章 绪论绪论 1 1 课题的来源课题的来源 第一章 绪论 2 1 2 研究的背景和意义研究的背景和意义 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 第一章 绪论 3 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 headstock 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 第一章 绪论 4 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建立立柱移动式铣床整机模型 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 第一章 绪论 5 比了几种结构方案 得出来了最优的结构改进形式 8 M A Elbestawi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Patrick 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 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ansys软件进行模态分析 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 14 东南大学的 李恒熙针对CK6136 数控车床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和ANSYS软件 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 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 第一章 绪论 6 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 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 第六章 总结与展望 7 第二章第二章 轴承套圈自动车床主轴箱结构的静态分析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 ANSYS 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 17 2 12 1 主轴箱的组成结构主轴箱的组成结构 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 主轴 拨叉 床头箱体 法兰盖法兰座油缸堵塞 定心套 拉杆 密封环 第六章 总结与展望 8 图 2 2 主轴箱装配图 2 22 2 静态分析理论基础静态分析理论基础 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 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 单元力的平衡方程为 2 15 1T K bF 为作用在结点上的力矩阵 T F 为单元节点上的位移阵列 b 为单元刚度矩阵 1 K 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 HT200 弹性模量 1 48 10 5Mpa 泊松比 0 310 密度 7200 kg m3 主轴选取材料 40Cr 弹性模量 2 11 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 第六章 总结与展望 9 主轴40Cr 7 8 10 9t mm32 11 10 5MPa 0 3 箱体HT200 7 2 10 9t mm31 30 10 5Mpa 0 3 刀具硬质合金 14 4 10 9t mm36 00 10 5Mpa 0 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 有限元理论基础有限元理论基础 2 3 1 有限元方法介绍有限元方法介绍 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 21 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 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 Cheung 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 23 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 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 有限元软件介绍有限元软件介绍 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 第六章 总结与展望 10 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 最小总势能法 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 2 ANSYS workbench 平台简介及前处理和后处理功能介绍平台简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 第六章 总结与展望 11 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 软件本身三维建模的不够强大以及 ANSYS 软件与其他 主流 CAD 软件 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 流固稱合问题 热结构親合的热应力问题等 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丨 序稱合求解不同场的交互作用 用于分析诸如流 体 结构稱合 热 结构耦合 热 电稱合等问题 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 第六章 总结与展望 12 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一 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 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 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 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 壳单元的法向 节点坐标系 第六章 总结与展望 13 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 y 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 第六章 总结与展望 14 图 T SOLID 186 单元示意图 Fig SOLID 186 unit diagram 图 X SOLID 187 单元示意图 Fig SOLID 187 unit diagram SOLID187 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 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 1 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 第六章 总结与展望 15 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 ANSYS Workbench 中的 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计显得非常的重要 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 采用适当的网格划分方 式等等 本章以主轴建模的理论为基础 借鉴了以往轴承套圈自动机床主轴系统建模的经验 对 C1206 型轴承套圈自动车床主轴建立了较为合理准确的有限元模型 C1206 轴承套圈自动车床主轴的结构简图如图 2 1 所示 主轴的前支承是由一个双排角接触球 轴承和单排圆锥滚子球轴承组成 其型号分别为 GB T292 1994 7013AC P4 GB T297 1994 30211 P5 主轴的后支承是一对推力球轴承和一对深沟球轴承 其型号分别为 GB T297 1994 30211 P5 GB T276 1994 6015 Z 6 主轴支承轴承 前端的双排角接触球轴承限制轴的两向轴载荷 并且承受径向力 前端的单排圆锥滚子球轴承能承受径载荷和一个方向的轴向载荷 后支承的一对 推力球轴承只能承受两向的轴向载荷 而后支承的一对深沟球轴承只起径向的定位作用 前后两对角接触轴承的组合方式为背靠背 一对轴承共同承担径向的载荷 也可承受一定的双向 轴向载荷 图 C1206 轴承套圈自动车床主轴结构简图 如何处理好主轴系统中存在的很多结合部 是建立好准确合理的主轴有限元模型的关键 在有 限元模型中 一般是以其实际的接合面来将整个模型划分为很多子结构 而各个子结构之前的连接 方式 根据结合面之间是否存在有相对的运动而分为连接和柔性连接两种 对于刚性连接的两个子结构 可以认为两个子结构的连接点就是从一个刚性结构上被认为分开 的如图 2 2a 所以刚性连接的结合界面上的协调方程为 位移协调条件 XjA XjB 力协调条件 fjA f jB 0 当子结构的结合面之前存在着相对位移时 情况就比较的复杂 这就是柔性连接 这个时候在连接处 会表现出既有弹性又有阻尼的复杂特性 两个子结构之前的柔性连接必须用弹性元件和阻尼元件一 次来进行模拟 如图 2 2b 所示 第六章 总结与展望 16 图 主轴结合部简化模型 Fig The simplified model for main spindle joint 2 4 4 设定网格划分参数并进行网格划分 有限元网格