基于ProE和ANSYSWorkbench的滚珠丝杠副造型与有限元分析.pdf

第4期 2 0 1 4年 4月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o du la r M a ch in e To o l Au t o ma t i c M a n uf a ct ur ing Te ch n iq u e No 4 Apr 2 01 4 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 4 0 4 0 0 0 1 0 5 D O I 1 0 1 3 4 6 2 j cn k i mm t a mt 2 0 1 4 04 0 0 1 基于 P r o E和 A N S Y S Wo r k b e n ch的滚珠丝 杠副造型与有限元分析 水 徐光远 潘 国义 陶卫 军 冯虎 田 南京理工大学 机械工程学院 南京2 1 0 0 9 4 摘要 基 于 P r E与 A N S Y S Wo r k b e n ch进行协 同仿真及优化的思路 详细 阐述 了滚珠丝杠 副三维模 型的参数化和族表建模过程 提 出了一种简单有效的滚珠装配方法 为 实现 结构分析 与全 面仿真奠 定基础 总结 P r 0 E与 A N S Y S接 口技术 将滚珠丝杠副简化处理后导入 A N S Y S Wo r k b e n ch软件 建 立其非线性接触模型 在对模型合理施加载荷和设置边界条件后 采用 S t a t i c S t r u ct u r a l模块对滚珠丝 杠副进行仿真分析 计算出滚珠 丝杠 螺母三个主要组成部分在工作过程 中的应 变 应 力及安全 系 数等 分析表 明 有限元计算结果与实际情况相近 为滚珠丝杠副的设计 优化和失效分析提供 了参 考依据和方法 关键词 滚珠丝杠副 族表与参数化 有限元 力学分析 中图分类号 T H1 6 T G 6 5 文献标识码 A M o d e li ng a nd FEM a na l y s is o f t h e Ba l l S cr e w Ba s e d o n P o E an d ANSYS W o r kb e n ch S o f t wa r e X U G u a n g y u a n P A N G u o y i T A O We i j u n F E N G H u t ia n S ch o o l o f Me ch a n ica l E n g i n e e r in g N a n j in g U n i v e r s i t y o f S cie n ce a n d T e ch n o l o g y N a n j in g 2 1 0 0 9 4 C h in a Abs t r a ct Ba s e d o n t he i d e a o f u s i ng P r o E a n d ANS YS W o r k be n ch s o f t wa r e t o C O s imu la t e a n d o p timiz e the d ime n s io n a l mo d e lin g p r o ce s s o f para m e t e r iz a t io n a n d P r o E f a mily t a b le o f b a ll s cr e w is e la b o r a t e d a n d a s imp l e a n d e f f e cti v e me tho d o f a s s e mb l in g the b a ll is p r o p o s e d Th e r e f o r e a f o u n d a t i o n f o r the f u t u r e s t r u ct u r a l a n a ly s is a n d co mp r e h e n s iv e s i mu la t io n is la id M o r e o v e r a f t e r i n v e s t ig a ti n g the in t e r f a ce t e ch n o lo g Y b e t we e n P r o E a n d ANSYS the mo d e l o f b a ll s cr e w is s imp l if ie d wh i ch is i mp o r t e d in t o ANSYS W o r k b e n ch s o f t ware Th e n t h e n o n lin e ar co n t a ct mo d e l is e s tab l is h e d W ith the r e a s o n a b le s e t ti n g o f the lo a d in g a n d b o u n d a r y co n d it i o n s the co nt a ct s t r e s s d e f o r ma tio n an d s a f e t y f a ct o r o f b al l s cr e w a n d n u t we r e ca lcu la t e d b y S t a t ic S t r u ct u r a l mo d u le An al y s i s s h o ws the FEM r e s u lt s are co n s is t e n t wi th the a ct u a l s it u a t i on wh ich in d i ca t e s a r e f e r e n ce a n d me tho d for d e s ig n o p t i miz a t i o n a n d f a i lu r e a n al y s i s o f t h e b a ll s cr e w is p r o v id e d Ke y wo r d s ba l l s cr e w p ara me t e r iz a t io n a nd f a mi ly t a b le FEM me ch an i ca l a n a ly s is 0 引言 伴随着计算机辅助工程技术在工业应用领域的不 断发展 国内外企业逐步将三维产品建模 数学优化设 计方法 有限元分析相结合起来 搭建快速设计的数字 化环境平台 已成为一种行而有效的产品开发技术 滚珠丝杠副作为机械传动中重要 的零部件 随着 机械行业向高精度 高速度和高刚度的方向发展 对其 动静态性能 结构设计方法等方 面有了更高要求 目 前国内外开展了大量关于丝杠结构设计 性能分析 的 研究 黄桂芸 提出了基于 P r o E的滚珠丝杠螺母副 的建模与装配方法 但其滚珠定位不准 所有滚珠变为 整体模块 东南大学 的战晓明 利用 A D A M S对滚珠 进出反向装置的力学性能进行描述 但没有考虑摩擦 因素 张瑞华 基于 Hy p e r Me s h对滚珠丝杠展开了参 数化设计分析 宁怀明 赵万军 等对丝杠进行 了相 应的模态分析 李凌丰 等研究 了滚珠丝杠的轴 向变 形情况 不足的是采用的模型过于简化 也不是针对装 配体 由此 本文以汉江某型号滚珠丝杠副为例 基于 P r o E软件的参数化和族表技术 完成系列模型的精 确建模与装配 并采用 A N S Y S Wo r k b e n ch进行较为系 统的有限元仿真 进而为滚珠丝杠副优化设计 性能分 收稿 日期 2 0 1 3 0 8 0 8 修回日期 2 0 1 3 0 9 0 2 基金项目 国家科技重大专项 2 0 1 2 Z X 0 4 0 0 2 0 2 1 作者简介 徐光远 1 9 9 0 一 男 安徽安庆人 南京理工 大学 硕士研究生 主要研究 方向为滚动功 能部件性能特性分 析与开发平 台设 计 E m a il x u g u a n g y u a n 1 9 9 0 1 6 3 co m 2 组合机床与 自动化加工技术 第 4期 析提 供 参考方 法 l 滚珠 丝杠 副的建模与快速装 配 滚珠丝札 副主要 巾螺 f 丝 杠 滚珠 返 向装 置组 成 基于 二维滚珠丝杠副的接触特性分析需求 结 合 H J S S F N系列滚珠丝杠副 采川 P r o E软件的族表结 构 创建系列螺母 丝杠和滚珠的模型 下衷为 H J S S F N滚珠丝杠剐的主受 寸依据 表 1 H J S r N滚珠丝杠副尺寸数据 1 1 螺母普通模型的建立 启动 P r o E 设置 义件保存 的 丁作 目录 选择新 建零件 实体 输人文件名 使用 1 3 T I l lS p a r t s o 1 i c 1 模 板 确 定 后进 入 P r o E零 件 建模 模块 点 击 I I Il 绘 命 令 选 取 F R O N r r 平面 为基 准平 面 进 入 草 选取 捅入 螺旋扫描 一 切 完成螺母滚道 建模 为方便整个模型的装配 需注意几点 选取 右 手定则 螺纹滚道的扫引轨迹从螺母端面开始 螺纹 节距 与丝柙 滚道 卡 H 同 1 2 螺 母库 的建 立 1 寸参数化 在所建的螺 母模型基础 I 点击 T具 菜单 选 择 参数 添加所标注 寸的相关 参数 输 入对应的 数值 在草冈巾或者通过 T具 一 l 炎系 来编辑 寸 间关系式 实现螺 尺寸参数化 2 族 表建立 族表作为共享相似特征的零件 或组件或特征 集合 有很多优点 在同一文件r f I 保存 多个类似的模 型 生成某个零件的各种变化形式 无需单独重新创建 和生成每个零件 无使H J 关系即可创建零件各种细微 的变化形式 基于以上优点 普通模型的基础 上 依 据 以下步骤创 建族 表 单击下拉菜 单 工具 巾 族表 选 中 添加 删除 表列 在信息 选取 添加项 j 为 参数 同时将螺 母模型相关尺寸参数逐 个加入族表 r f 1 进而点击 捅 入新的实例 依据表 l 巾的数据 输 入该系列模型的 寸 校验生成的所有实例有效性后 完成螺母库建 茹 一 簦蠢扛 I 3 l I l 村 讳 i c 齄 e i 0 5 S 0 0 i 6 0 鹑 硅e e S 0 2 l j 佛 0 j 0 0 0 s 0 3 0 0 S 0 0 j 0 s 5 0 5 s 绘 制状态 完 成如罔 1 所永 的草 绘 制 同时 对主要 尺寸进行标注 草 绘制完成后点 击 旋转 命令 以 y轴为旋转轴 完成螺母的初步建模 主 Y 卜 l H r S llI l 1 5I X l l I 图 1螺 母 旋转 体 尺 寸 同样选取 草绘 命令 选取 F R O N T平面为基准 平面 完成阶梯孔的草图绘制 标注尺寸 同样选取 旋转 命令 使川 去除材料模式 得到螺 母安装 的阶 梯孔 选择 阵列 命令 阵列数 目6 角度 6 0 Y轴 为 阵列轴 即可得到 6个阶梯孔 图 2螺母普通模型与族表 立 如 2所示 1 3 丝杠 模 型建 立 丝杠的族表建模与螺母雷 同 此不 详细叙述 普通模 型 的建立 就是 圆柱 的托 伸 和螺 旋切 口的扫描 建模过程巾需采J 与螺母螺纹相同的滚道半径 旋向 节距 基准平面 1 4 整体装配 滚珠丝杠副组件建模 采川 自底向上的装配设计 方法 组件族表建立可参照文献 7 难点是滚珠 装 配 现说 明定位过 程如下 启动 P r o E软件 新建组件 在下拉菜单 插入 一元件一装配 选中丝杠模型 装配过程中使丝杠与装 配体的 个基准平面重合 同理 插入 螺坶模型 采 用的约束类型 丝杠与螺母同轴 丝相 螺纹开始的轴肩 端而与螺 母端面对齐 渊整两轴向平而的角度关系使 两滚道 面的对齐 其次 选取 捅入基准曲线 一 从方程 选取装 配基准坐标系为参照坐标系 在弹出的对话框 中输入 方程式 2 2 0 1 4年 4月 徐光远 等 基于 P r o E和 A N S Y S Wo r k b e n ch的滚珠丝杠 副造型与有限元分析 3 一 0 t h e t a t 3 60 q z t q z 0 1 r l5 5 t h e t a t 3 60 8 z t 6 8 1 3 8 2 式 1 中有 r n 表示所建的螺旋线半径 t 是笛卡 尔坐标系的参数 q表示滚珠安装的圈数 表示螺旋 线的节距 表示螺旋线起始点偏移基准 F r o n t 平面 的位移 改变 的值即可确定滚珠螺旋线的起始点位 置 从而实现螺母 丝杠滚道扫描螺旋线与滚珠安装曲 线三线重合 选择工具栏 插入基准点 命令 创建一个与螺旋 线起始点重合的基准点 A P N T 在信息栏 中选取 实 数 偏移 选项 选中基准点 A P N T 点击 阵列 命 令 在阵列菜单栏 中选择 尺寸 编辑方 向 1的尺寸 增量 表示两个滚珠 圆心间距离 在方 向 1的阵列 数 目中输人需要 的滚珠数 目n 本 例中取 为 3 2 n 为 1 2 0 点击 插入 元件 导入滚珠模型 由于滚珠的 建模只是一个半 圆的旋转过程 在此不再赘述 定位 过程的约束类型为 对齐 使滚珠 的每个基准面与基 准点 A P N T 重合 既使滚珠的圆心与 A P N T 重合 安装完成后同样选择 阵列 命令 在信息栏 中选取 参照 参照类型选择 特征 确定后完成滚珠 的阵 列 装配 如 图 3所示 图 3滚 珠 丝杠 副 装 配体 模 型 总结滚珠装配整体思路 克服单个安装过程中的 缺陷 采用螺旋线参照 通过参照基准点的阵列来实现 滚珠的阵列 装配过程中只要丝杠和螺母滚道螺旋扫 描线与滚珠安装螺旋线三线重合 既可完成滚珠的精 准定位 从而为 A WB的力学分析建立模型 2 P r o E与 AWB的接 口衔接 P r o E与 A WB的衔接问题 的核心就是模 型尺寸 参数 和接触定义的传递协 同仿真过程 两者之间的 接 口技术是协 同仿真 的关键 主要 的方法有 以下几 种 1 基于文件的传递 可 以直接对 P r o E模型导 入 使用 C A D接 口以 p l u g in或 r e a d e r模 式读入 到 A WB中 也可以在 P r o E中把模型保存为 S T P或 I G E S 格式文件再导人 2 A WB嵌入 P r o E协同建模 主要方式是通过 修改 A WB的注册表 设置 A N S Y S C A D co n fig u r a t i o n M a n a g e r 中的选项 在 P r o E嵌入 A WB菜单项 实现 两者的无缝连接 这样在 P r o E中建模之后 直接点 击嵌入的 A WB菜单 激活后就可直接将 当前模 型导 入 3 A WB与 P r o E的数据共享 以链接的方式共 享几何模型数据 尺寸参数和装配设置 避免 了通过 文件传人模型方式导致的部分特性丢失 参数等信息 不能传递等问题 真正实现了 A WB与 P r o E参数的双 向传递 但 目前还处于开发研究阶段 针对模型简单的滚珠丝杠副 采用最为常用的第 一 种方法 在 P r o E中完成装配体模型 以中间格式导 入 A WB 继而重新定义接触 约束关系 3 AN S YS Wo r k b e n ch的有 限元分析 3 1 模型的导入与网格划分 滚珠丝杠副有限元模型的重点是滚珠与两滚道的 接触部分 如果按照实际结构建模 网格划分 的计算 规模过于庞大 且会引起失真 为节省计算机资源 需对三维模型进行一定处理 有限元分析 的主体是螺 母丝杠接触部分 故省去丝杠轴肩阶梯孔等结构 考虑 到螺纹的长短只影响滚珠和滚道 的接触距离 而与受 力变形无直接关系 故可通过缩短有效螺纹长度来提 高计算速度 如果滚珠数 目过多 计算过程往往会因节 点过多导致运算中断 虽然减少滚珠数 目会导致单个 滚珠的应力过大 但可通过施加较小载荷来抵消减小 滚珠数 目对 分析结 果 的影 响 达到 相 同分 析 目的 经 过以上简化 以 I G E S格式导人 Wo r k b e n ch软件 并定 义丝杠和螺母的材料为 G r l5 滚珠材料为 G r l5 S iM n 网格划分设置滚珠单元尺寸为 1 m m 丝杠 螺母 的单元尺寸为 5 mm 采用 自动划分法对装配体进行网 格划分 自动划分法就是 自动设置四面体或扫掠网格 划分 如果几何体不能被扫掠 程序 自动生成四面体 反之则产生六面体 网格划分共产生 1 2 6 6 9 1个单元 和 1 9 4 6 1 6个节点 3 2 约束 接触与载荷施加 在 A WB仿真环境 中 依据滚珠丝杠副的实际工 作情况 对螺母添加一个 B o d y t o G r o u n d 的水平移动 副 模拟工作状况下螺母相对丝杠的水平移动 对丝杠 轴端面添加一个对地转动副来模拟丝杠的旋转运动 运用 A N S Y S的面 一 面接触问题分析功能 考虑摩 擦因素 确定滚珠丝杠副为柔体 一柔体接触 参照指定 接触对中接触面和目标面以下原则 粗糙网格表 面为 目标面 凸面和平面或凹面接触 应该选取平面 或凹面为目标面 大的表面应为目标面 低阶表面 应为 目标面 硬表面应为 目标面 定义螺母滚道和 丝杠滚道表面作为 目标面 滚珠表面作为接触面 滚珠 与两滚道之间为摩擦接触 摩擦系数设置为 0 1 法 向 接触刚度因子定为 0 8 对于这种非线性实体接触 计算时采用的接触公式为 A u g me n t e d L a g r a n g e 行为类 型为非对称 滚珠丝杠副承受的载荷分为惯性载荷和非惯性载 4 组合机床与 自动化加工技术 第 4期 简两种 惯性载简主 包括最力加速度和旋转角速度 非惯性载荷有轴向载荷和预紧力 为真实模拟滚珠丝 卡 1 剐承载的过程 分为两个载衙步施加载茼 载荷时间 均为 1 s 对整个装配体添加 Y轴负方向的重力加速 度 螺 小端而施加轴向预紧载荷 1 0 M P a 保持第一 阶段载倚不变 同时对丝礼施加旋转角速度 1 0 r a d s 螺母大端面施加轴向一 T 作载衙 3 0 MP a 施加的约束和 载荷 如 I矧4所 示 图4约束与载荷施加 3 3 计算结果分析 通过有限厄仿真计算 得到了滚珠和螺母 丝杠滚 道的接触应力和变形分布情况 同时可以查看滚珠在 滚 道 内的滑动距 离与摩擦 力 1 等效应 力分 析 a 滚 珠 等效应 力图 螺 付滚 近 投厦 力 图 5 各部件的接触等效应力图 5 a c 为各部件的接触等效应力分布 从图中可 以看 滚珠丝杠副的等效应力主要产生于滚珠与滚道 接触区域 H基本均匀分布在每个滚珠上 其中螺母滚道 与滚珠f 1 fl J 等效应力和丝杠滚道与滚珠接触处大小基本 一 致 凶为单圆弧滚道面 两个接触点接触们相同 5 a 反映了滚珠 的接触受 力情况 1 接触负 荷往往发生在滚珠与滚道微小的接劁 l而积 1 所以滚 珠的局部接 触应 力往 往较大 最 大应 力f f 为 2 5 3 5 M P a 而 G r l5 S iM n的 屈 服 极 限 为 l8 3 lM P a 大 于朋 服极 限 值 但在接触过程巾接触 域产生塑性变彤 接触面积 也随之增大 使得接触应 力瞬问降到材料的硝服强度 内 故短时间内的屈服不会产生结构性破坏 长期则 町 能导致疲劳损伤 剥落 2 等效应变分析 经过 空 载 条 件 下 运 算 仿 真 得 到 以 下 结 沦 对 r 6 1 9 ra m 的滚道直径 当滚珠直径处于 6 0 5 6 1 9 ra m范 同内 滚珠丝杠副自身发生f涉 滚珠产生 0 0 0 1 3 mm 的形变 随滚珠直径 的增 大 r 涉 应变 也逐 渐增 大 以 上仿真经验为选择合理的滚珠直径提供 r 依据 取滚珠 直径 为 5 9 5 i n to 图 6为应变 分 布 从 鬈 l 中可以看 滚珠与滚道问的接触 域呈椭网状分布 接触应变值由中心向外逐渐变小 符合 H e r t z接触理 论 a 滚珠等效应变 图 h y t 个滚珠 等 效应 坚 图6 滚珠等效应变云图 3 安全 系数分析 A WB H r 以通过在结 果 巾添加 S t r e s s F o o l 峦看零 件在受力的情况下其安全系数是多大 进而确定滚珠 丝杠副传动过程中最容易断裂破坏的 域 整个装配 体 的安 全系数分布 如陶 7 a b所 示 安全 系数 最低 值 0 4 2产生于丝 滚道的J 一 边缘 主要原 是建模过 程 中省 略了对滚道边缘 进行 网角 处理 f 1 于减 少受 力 滚珠数也会降低安全系数 故对滚道边缘进行 0 2 m n l 的圆角处理 同时增加 1 0个滚珠 对丝札进行安全系 数分析 得到分布情况如 7 e c 1 所水 从c 叮以看 到 随着对滚道边缘网角处理和增加滚珠数 目 丝杠的 安全系数最低值都有所提升 这更岵合T作的实际情 况 锈一 酞 2 0 1 4年 4月 徐光远 等 基于 P r o E和 A N S Y S Wo r k b e n ch的滚珠丝杠副造型与有限元分析 5 曩 橙体安令系数 丽 I 托安伞系数 l 1 n 处j 后丝杠安全系数 I 增 JJ I 滚殊 戡 几后丝礼 蟹 全系数 图 7安全 系数分布 4 哮擦 力 与滑行距离 分析 运动过程r f 1 滚珠除 同绕丝柯轴 的螺旋线滚 动外 在垂 与螺母 丝杠两接 触点连线 的方 向上 还产 生滑移 运动 滚珠的滑移又成为楔紧效应 主要由两接触区域 的摩擦力产生 滚珠的 I 移与滚珠丝杠副的传动效率低 的主要原l 太 之一 影响楔紧效应的参数有滚珠直径 丝 杠公称直径 导程等 滚珠的摩擦应力分布图与滑移位 移如 皋 1 8所示 悖擦的最大应力为 1 6 4 M P a 滚珠在2 s 的 运动时问内产 生的滑移 位移 为 0 0 8 m m 为展开楔 紧效 应影 向 素分析提供了实例方法 1 滑移位移心 J I铡 图 8 应 力 图 4 结论 1 P r o E软件 是目前使刷最为广泛 的 维建模 软 件 基于 P l o E环 境 很好 的完 成机 械 领域