車床主軸模態(tài)分析

1、基于ANSYS車床主軸模態(tài)分析江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 秦念對摘要：車床主軸對零件加工精度有很大影響。通過三維繪圖軟件Pro/E建立主軸的三維實體模型，再導(dǎo)入有限元軟件ANSYS中進(jìn)行模態(tài)分析。利用有限元分析方法對主軸的固有頻率和10階模態(tài)圖分析求解，可以在設(shè)計過程中得到主軸的動態(tài)特性，對主軸設(shè)計維護(hù)具有指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：模態(tài)分析；有限元；固有頻率；Pro/E導(dǎo)入0 引言振動是工程結(jié)構(gòu)中常見的問題，結(jié)構(gòu)的固有振動特性是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計所必須了解的。有限元技術(shù)的出現(xiàn)通過對模型結(jié)構(gòu)和邊界等合理模擬，可以快速準(zhǔn)確得出結(jié)構(gòu)的固有振動特性。本文通過對車床主軸箱模態(tài)有限元分析，得出了結(jié)構(gòu)固有特性以及確定優(yōu)化方

2、案1 模態(tài)分析的內(nèi)容與應(yīng)用 1.1模態(tài)分析：是研究結(jié)構(gòu)動力特性一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析取得，這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析。這個分析過程如果是由有限元計算的方法取得的，則稱為計算模態(tài)分析；如果通過試驗將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號經(jīng)過參數(shù)識別獲得模態(tài)參數(shù)，稱為試驗?zāi)B(tài)分析。通常，模態(tài)分析都是指試驗?zāi)B(tài)分析。振動模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。通過模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，就可以預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)

3、部各種振源作用下產(chǎn)生的實際振動響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計及設(shè)備故障診斷的重要方法。模態(tài)分析的最終目標(biāo)在是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷和預(yù)報以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。模態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用可歸結(jié)為以下幾個方面：1) 評價現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性；2) 在新產(chǎn)品設(shè)計中進(jìn)行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的預(yù)估和優(yōu)化設(shè)計；3) 診斷及預(yù)報結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障；4) 控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲；5) 識別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷。1.2 模態(tài)分析及其意義：模態(tài)分析是用于確定部件和組裝件的固有頻率，是動力學(xué)分析的起點，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)分析的最終目標(biāo)在是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)

4、構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷和預(yù)報以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。模態(tài)分析可以確定一個結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。在機(jī)構(gòu)使用之前，了解它的動態(tài)特性是十分必要的。如果其工作頻率與固有頻率相等或接近時，必然會影響到它的使用壽命，甚至引起安全事故。2.有限元及ANSYS介紹有限元的基本思想是將物體（即連續(xù)的求解域）離散成有限個且按一定方式互相聯(lián)結(jié)在一起的單元的組合，來模擬或逼近原來的物體，從而將一個連續(xù)的無限自由度問題簡化為離散的有限自由度問題求解的一種數(shù)值分析法。近年來，有限元分析方法的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到所有工程領(lǐng)域，成為連續(xù)介質(zhì)問題數(shù)值解法中最活躍的分支。2建立Pro/E 三維實體模型2.1主軸

5、建模 使用Pro/E Wildfire 4.0建模，建模完成后在另存為選項中選擇IGES類型存盤，這種格式是幾乎所有CAD軟件都可以識別，將建立的圖形導(dǎo)入到ANSYS中。2.2導(dǎo)入時注意事項：1.文件最好存放在名字無空格的目錄中，否則在 Ansys 中不能識別識別。2.在 Ansys 中輸入模型時，可能出現(xiàn)模型斷裂的結(jié)果，可以對defeature 合并 重合的關(guān)鍵點產(chǎn)生實體、刪除小面積"等選項進(jìn)行改變，反復(fù)試驗直到輸入滿意為止。3.被打開的*. prt 文件必須在Pro/E的工作目錄中，或者Pro/E與 An sy

6、s 有 相同的工作目錄，否則會出現(xiàn)找不到*. anf 文件的錯誤。4.所用Pro/ E版本需要高于所用Ansys版本。3.ANSYS建模過程：  有限元分析的最終目的是要還原一個實際工程系統(tǒng)的數(shù)學(xué)行為特征，也就是說分析必須是針對一個物理原型的準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。廣義上講，模型包括所有的節(jié)點、單元、材料屬性、邊界條件，以及其他用來表現(xiàn)這個物理系統(tǒng)的特征。在ANSYS術(shù)語中，模型生成一般狹義地指 用節(jié)點和單元表示空間體域及實際連接的生成過程。分析目標(biāo)為加工中心主軸，模型采取Pro/E三維建模并導(dǎo)入ANSYS，選用SOLID45單元進(jìn)行離散分網(wǎng)。 3.1

7、指定分析標(biāo)題并設(shè)置分析范疇：  在菜單欄 File->Change Title處修改分析名稱為“analysis of a axis”。再選取 ANSYS Main Menu->Preference，在Structure選項前打鉤 ，單擊 OK。 3.2定義單元類型：  選取ANSYS Main Menu->preprocessor->element type-> add/edit/delete，在彈出的E

8、lement Types對話框中單擊 add ，出現(xiàn)library of element type對話框，在左邊的滾動框中單擊“structural solid”、右邊滾動框中單擊“quad 4node 42”。之后單擊apply。再在右邊的滾動框中單擊“brick &node 45”。單擊ok。單擊element type對話框中的close按鈕。 3.3指定材料性能：選取ANSYS Main Menu->preprocessor->mater

9、ial props->material models 材料為40Cr，在彈出的對話框中輸入楊氏模量E=210Gpa和泊松比0.3，在密度（density）選項處單擊，輸入7820kg/m33.4設(shè)置網(wǎng)格劃分控制以建立想要的網(wǎng)格密度：4. 在ANSYS Main Menu->preprocessor->Meshing->mesh tool中自動劃分網(wǎng)格，如下圖：3.5約束及加載：由加工中心皮帶軸總裝圖可知，主軸的支承并非剛性的，而應(yīng)該考慮軸承的彈性影響。支撐部分由主軸、殼體和軸承組成。可將角接觸球軸承簡化為彈性支承，支點位置在接觸線與主軸軸線的交點處；認(rèn)為軸承只具有徑向剛

10、度，不具有角剛度，如此將支承進(jìn)一步簡化為徑向的壓縮彈簧質(zhì)量單元；每個軸承在圓周方向等效分布四個彈簧。如下圖：在ANSYS軟件進(jìn)行分析時，每個彈簧用一個彈簧單元Combin14模擬， 為了限制主軸X方向的移動，在截面M2上與彈簧相連接的4個主軸上的節(jié)點（內(nèi)圈的4個點）加上UX約束。在彈簧另一端（外圈四個點）為完全固接。添加彈簧單元：選擇combination 和spring-damper 14，并點擊ok。劃分彈簧單元的網(wǎng)格：參照彈簧分布圖，在支撐位置的外面添加八個節(jié)點，并將它們分別與模型上的對應(yīng)點連成直線。由彈簧分布圖可知，支承位外八個節(jié)點和模型對應(yīng)八個節(jié)點坐標(biāo)（42.5，-300，0）（-4

11、2.5，-300，0） （100，-300，0） （-100，-300，0）（0，-300，42.5）（0，-300，-42.5） （0，-300，100） （0，-300，-100）（45，-545，0） （-45，-545，0） （103.5，-545，0）（-103.5，-545，0）（0，-545，45） （0，-545，-45） （0，-545，103.5）（0，-545，-103.5）在模態(tài)分析中，唯一有效的“載荷”是位移約束。施加約束為了限制主軸X方向的移動，在截面M2上與彈簧相連接的4個主軸上的節(jié)點（內(nèi)圈的4個點）加上UX約束。在彈簧另一端（外圈四個點）為完全固接，即加上ALL

12、 DOF約束。方法如下：將視圖切換為線框模式（菜單欄 PlotLines），并在菜單處選擇：彈出上圖右側(cè)窗口，用鼠標(biāo)點選軸上的八個節(jié)點（軟件會自動捕捉鼠標(biāo)附近的節(jié)點）。點擊OK后彈出選擇施加約束的窗口，鼠標(biāo)點選UX約束，并點擊OK：用同樣方法選取軸外圍八個點，將約束設(shè)為All DOF。最終如上圖。在線框視圖下選定的八條線段，并點擊OK，完成對八根線段的網(wǎng)格劃分。（此時網(wǎng)格屬性為彈簧 ）在出現(xiàn)的對話框中輸入COMBIN14的剛度470000000。4分析求解分析類型設(shè)為模態(tài)分析。點擊如下菜單，彈出下面的New Analysis對話框，做出選擇。分析方法建議使用Block Lanczos，模態(tài)數(shù)量

13、是要提取的模態(tài)數(shù)，根據(jù)需要選擇。此處設(shè)為10，下面的模態(tài)擴(kuò)展選項也設(shè)為10，擴(kuò)展的模態(tài)在后處理中能看到。點擊ok，彈出對話框，按照缺省設(shè)置即可，點擊ok。求解完畢，查看結(jié)果：第一步，列出固有頻率。選取主菜單選項，即出現(xiàn)下圖所示，列出模態(tài)110的相關(guān)數(shù)據(jù)： 顯示模型形狀：要查看某階模態(tài)的變形，首先讀入求解結(jié)果。以一階模態(tài)為例：PlotCtrlsAnimatemode shape觀察動畫顯示查看其他階模態(tài)繪制變形云圖 一階 二階 三階四階 五階 六階七階 八階 九階 十階5總結(jié)1，2，3階固有頻率為0，說明彈簧剛度相對較小,結(jié)果可以視為特征值重根,振型相互獨立正交。7階和8階、9階與10階固有頻率相近，振型不同。主軸轉(zhuǎn)動時,承受交變循環(huán)應(yīng)力作用,易產(chǎn)生疲勞破壞,所以結(jié)構(gòu)上應(yīng)該強(qiáng)化處理。根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果得到固有頻率