基于ANSYS Workbench的車床主軸振動(dòng)有限元分析11000字【論文】

基于ANSYSWorkbench的車床主軸振動(dòng)有限元分析摘要車床主軸是車床的主要部件，車床加工精度與否，與其運(yùn)動(dòng)特性有著密不可分的關(guān)系。隨著現(xiàn)代制造業(yè)的不斷發(fā)展，機(jī)床的生產(chǎn)與加工出現(xiàn)了許多現(xiàn)代化的因素，這讓機(jī)床的性能有了很大的提升。車床主軸在車床加工過程中作為關(guān)鍵部件，其在工作過程中所產(chǎn)生位移大小對(duì)工件的精密程度影響比重最大。在車床啟動(dòng)過程中，沒有共振的情況下，影響占30%~40%，存在外部激勵(lì)且發(fā)生共振的情況下，影響占60%~80%。因此，車床主軸的振動(dòng)特性的分析是十分有必要的，這將為車床的生產(chǎn)加工和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)依托和理論依據(jù)。首先，查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，了解機(jī)床主軸部件的振動(dòng)特性現(xiàn)狀，并對(duì)其進(jìn)行分析，進(jìn)一步掌握機(jī)床主軸部件的發(fā)展歷程，理清課題研究方向，找到課題研究方法，提煉研究課題的主要研究?jī)?nèi)容，闡述了課題研究的現(xiàn)實(shí)意義。其次，對(duì)車床主軸進(jìn)行有限元模型的建立。通過三維軟件Soildworks進(jìn)行建模，并對(duì)三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化；觀察記錄車床工作時(shí)的情況，并且對(duì)車床進(jìn)行受力分析；導(dǎo)入AnsysWorkbench中網(wǎng)格劃分。最后，對(duì)車床主軸進(jìn)行靜力學(xué)分析以及模態(tài)分析。首先，對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，隨后，在Ansys模塊中，進(jìn)行接觸設(shè)置、分析設(shè)置、約束與載荷，仿真分析后得到主軸的總變形圖、應(yīng)力分布圖；對(duì)主軸模態(tài)分析，得到主軸前6階的振型圖和固有頻率。目錄摘要 緒論制造業(yè)是衡量國家綜合實(shí)力的有效指標(biāo)，在全球范圍內(nèi)具有廣泛的關(guān)注度，世界各國在發(fā)展制造業(yè)這一問題上，傾注了大量心血，紛紛投入大量資源以發(fā)展制造業(yè)。幾乎全球所有步入發(fā)達(dá)行列的各國，都擁有超高水平的制造技術(shù)。新時(shí)代以來在國家政策的支持下，中國的制造業(yè)飛速發(fā)展，取得前所未有的矚目成績(jī)，但是較之世界上其他發(fā)達(dá)國家的制造業(yè)的先進(jìn)水平而言，我們還有有著較大差距。我們制造業(yè)雖然蓬勃發(fā)展，但距離高端市場(chǎng)還有很長(zhǎng)的一段路要走，對(duì)于我國的中高端需求，現(xiàn)階段還較難滿足。故而，黨中央高度重視制造業(yè)所面臨的窘破現(xiàn)狀，從全局出發(fā)，提出了《中國制造2025》計(jì)劃[1]。在我國，裝備的生產(chǎn)加工水平制約著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，應(yīng)該以裝備制造業(yè)為主要發(fā)展項(xiàng)目，提高機(jī)床的生產(chǎn)性能和效率，從而達(dá)到提高國民經(jīng)濟(jì)的作用，在很大程度上決定著一個(gè)國家裝備制造業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國雖然已經(jīng)具備了生產(chǎn)各類機(jī)床的能力，但是與世界上其他先進(jìn)國家生產(chǎn)的機(jī)床相比，還有一段路要走。中國雖然是機(jī)床消費(fèi)大國，但是在生產(chǎn)機(jī)床的技術(shù)問題上仍然有長(zhǎng)足的進(jìn)步空間。主要體現(xiàn)在機(jī)床精度、剛度、抗振性和可靠性等方面。實(shí)際上，造成這些現(xiàn)狀的原因，仍是我國在機(jī)床設(shè)計(jì)理論、技術(shù)以及方法上與先進(jìn)水平存在著差距。以主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化為例，盡管也采用了有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，但針對(duì)動(dòng)靜剛度同時(shí)優(yōu)化的成果非常有限，這就是國產(chǎn)機(jī)床在整機(jī)（核心部件）剛度和抗振性指標(biāo)上落后于進(jìn)口機(jī)床的主要原因。本文以車床主軸為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析、模態(tài)分析，探尋車床主軸的振動(dòng)特性，為車床的生產(chǎn)加工和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。研究意義與背景機(jī)床工業(yè)可以稱得上是一個(gè)國家的基礎(chǔ)性工業(yè)，各個(gè)工業(yè)部門勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高與機(jī)床工業(yè)的發(fā)展有著高度的相關(guān)性，工業(yè)自動(dòng)化也受機(jī)床工業(yè)發(fā)展的直接影響，可以說機(jī)床工業(yè)是國家工業(yè)的基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，以及生產(chǎn)技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步，機(jī)床工業(yè)蓬勃發(fā)展，并逐步向著高準(zhǔn)確性、高生產(chǎn)效率的方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床在航天、航空等高精產(chǎn)業(yè)中扮演著更為重要的角色，正是由于數(shù)控機(jī)床具有相當(dāng)高的精密度，具有生產(chǎn)速度快、生產(chǎn)可靠性高、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。高速數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)數(shù)相較于普通數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)數(shù)而言逐漸提高，且其發(fā)熱量也隨之上升，從高速數(shù)控機(jī)床的加工誤差由于熱變形成，其誤差可達(dá)四到七成[2-4]?，F(xiàn)代高速超高速機(jī)床主軸受熱變形較之于從前機(jī)床變形而言更大，這正是由于其載荷小、精度高，其零件加工誤差可達(dá)六至八成。在生產(chǎn)加工時(shí)，機(jī)床會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，整個(gè)機(jī)床最主要的熱源是由主軸系統(tǒng)所生成，從這里生成的誤差就是造成機(jī)床工作中誤差的很大一部分原因。正是由于這個(gè)原因，在發(fā)展數(shù)控機(jī)床的過程中，對(duì)機(jī)床主軸的熱特性分析是我們必須面對(duì)的課題，這關(guān)乎機(jī)床加工精度，不容忽視。綜上所述，通過有限元分析技術(shù)，對(duì)其主軸振動(dòng)特性進(jìn)行研究與分析，從而提高主軸的生產(chǎn)加工效率，提高主軸的生產(chǎn)精度，使得主軸的抗彎、抗扭程度得到良好的改善，所以進(jìn)行機(jī)床主軸振動(dòng)特性的研究與分析是很有必要的。車床主軸國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著科技水平的不斷提高，我國對(duì)于生產(chǎn)的需求也越來越大，大到國家的載人航天火箭、先進(jìn)的無人機(jī)、武器，小到家用電器，都用到了機(jī)床生產(chǎn)加工，同時(shí)這些產(chǎn)業(yè)無形之中也在推動(dòng)著機(jī)床加工的發(fā)展。無論是民用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)階段，我國社會(huì)飛速發(fā)展，我國的科研人員，也進(jìn)行了大量的研究，目前已經(jīng)有了一定的成就。國外研究現(xiàn)狀在早些年代，模態(tài)分析時(shí)分析振動(dòng)的主要手段，流行于國內(nèi)外各個(gè)研究院所，但是當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)并不發(fā)達(dá)，模態(tài)測(cè)試只能靠多做實(shí)驗(yàn)、多總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。后來計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，已經(jīng)可以用軟件進(jìn)行仿真，這樣節(jié)省了很多時(shí)間，也節(jié)約了很多資源。如Altintas等[5]為了研究主軸的振動(dòng)特性，對(duì)車床主軸的離心力等因素，進(jìn)行有限元分析，分析主軸的振動(dòng)特性，保證了主軸工作時(shí)的平穩(wěn)運(yùn)行。Fu等[6]建通過傳遞矩陣法對(duì)車床主軸進(jìn)行了有限元分析，并通過搭建試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行驗(yàn)證有限元分析的可靠性。SankarJ等[7]學(xué)者通過軟件仿真進(jìn)行了大量的有限元仿真分析，并通對(duì)仿真得到的數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)床進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的修改。SujeetGaneshKore[8]等提出了一種仿生的方法，通過這種方法來提高車床的力學(xué)性能，使得車床具有更高的精度和更長(zhǎng)的壽命。VinhDC[9]等通過對(duì)機(jī)床的有限元分析，得到了機(jī)床的性能參數(shù)，并通過這幾項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)機(jī)床進(jìn)行優(yōu)化。WangW和Kweon[10]對(duì)三種不同的機(jī)床結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了有限元分析，得到了各項(xiàng)參數(shù)，并通過對(duì)比分析，找到最優(yōu)的方案。MinS和DiazA等[11-12]以車床主軸的剛度和固有頻率為，對(duì)機(jī)床進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。KIMJae-Hyun等[13-16]通過有限元分析，對(duì)機(jī)床的刀頭部分，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。GuoX[17]采提出了一種數(shù)值分析的方法，解決了在計(jì)算過程中出現(xiàn)的奇異最優(yōu)解的問題。國內(nèi)研究現(xiàn)狀在我國，相比于國外的一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，機(jī)床的性能的研究起步晚。從上個(gè)世紀(jì)90年代開始，我國開始注重對(duì)機(jī)床的發(fā)展，機(jī)床項(xiàng)目被列為國家重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目，從此刻開始，我國的各個(gè)高校及科研院所開始了對(duì)車床性能的研究。國內(nèi)由賈亞洲等[18]響應(yīng)國家的號(hào)召，積極開展這項(xiàng)科研攻關(guān)，首先，主要是對(duì)車床的振動(dòng)、故障等方面的研究，將數(shù)值算法應(yīng)用到了對(duì)車床的分析及計(jì)算中，使得車床性能得到了提升，作為車床最主要的部件，主軸的性能也得到了響應(yīng)的提升。張義民等[19]將主軸進(jìn)行三維建模，并劃分網(wǎng)格，對(duì)主軸進(jìn)行靜力學(xué)分析、模態(tài)分析，得到了主軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對(duì)主軸進(jìn)行振動(dòng)特性的分析，使得主軸振動(dòng)減小結(jié)構(gòu)得到了有效的提高。谷東偉等[20-21]以以數(shù)控機(jī)床的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，應(yīng)用到故障總時(shí)間法中，方便對(duì)故障進(jìn)行評(píng)估和對(duì)車床性能進(jìn)行評(píng)估。秦少軍等[22]通過對(duì)機(jī)床主軸的有限元分析，研究得到了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)主軸的影響參數(shù)，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性分析，得到了最佳的機(jī)床主軸的參數(shù)。胡偉等[23]對(duì)最原始方法的對(duì)于主軸進(jìn)行有限元來減少分析周期。廣州工業(yè)大學(xué)李劫科[24]對(duì)機(jī)床主軸進(jìn)行三維建模并軟件仿真分析，對(duì)靜壓軸承-主軸系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)特性的分析，并搭建試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。國防科技大學(xué)王建敏等[25-26]采對(duì)精度較高的主軸進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)了一種可以減小徑向誤差的方法，這種創(chuàng)新的方法得到了科研界認(rèn)可。天津大學(xué)許毅[27]采用與靜力學(xué)分析分方法，對(duì)機(jī)床主軸進(jìn)行靜力學(xué)研究，將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)出了主軸的靜態(tài)特性設(shè)計(jì)規(guī)律。重慶大學(xué)張良[28]，采用將兩種分析方法相互結(jié)合的方法，對(duì)高精度的主軸的進(jìn)行了研究。東南大學(xué)郭策[29]采用數(shù)值分析的方法，對(duì)高精度的主軸進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析，后來又通過有限元的方法，進(jìn)行了主軸的熱特性分析，最后將主軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了主軸的轉(zhuǎn)速。圖1-1轉(zhuǎn)塔車床結(jié)構(gòu)示意圖MACROBUTTONAcceptAllChangesInDocAndStopTracking有限元基本理論基礎(chǔ)有限元方法主要用來解工程問題和生活問題，是對(duì)問題的一種分析，為解釋這種現(xiàn)象提供可靠的依據(jù)。有限元法對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求比較高，一臺(tái)性能好的計(jì)算機(jī)可以使得有限元分析更加流暢，節(jié)約時(shí)間。當(dāng)下，世界上百分之九十以上的機(jī)械設(shè)備和裝置，都必須要通過有限元方法進(jìn)行分析，進(jìn)而繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與可靠性分析。有限單元法通過求解方程的來解決實(shí)際的一種方法，他是通過將模型整體，劃分為有限個(gè)單元體，通過公式計(jì)算，使得力一步一步的按照給定的方向增大，最后達(dá)到想要的效果。實(shí)質(zhì)上，就是把連續(xù)體通過線或者面分割開來，分成無數(shù)個(gè)單元體。這種單元具有一定的尺寸、有限的數(shù)量各個(gè)單元之間相互連接，通過數(shù)值性來求解各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的值，并把他們聯(lián)系起來，來推斷并求出其它的未知量。有限元的發(fā)展目前，有限元仿真的背后實(shí)際上是，科研工作者們通過建立物理方程和控制邊界條件進(jìn)行計(jì)算求解的過程，有限元的主要目的就是解決生活工作中的機(jī)械振動(dòng)問題、流體流動(dòng)問題、燃燒放熱問題等等。這種方法都是求解方程得出的結(jié)果，其影響因與實(shí)際相比較為單一，所以說求解的結(jié)果可能都是近似解，并不是特別的準(zhǔn)確。隨著計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域在解決實(shí)際問題上還有很大的發(fā)展空間，可以將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果誤差控制的越來越小。有限元發(fā)展迅速，通過軟件仿真，大大減少了經(jīng)濟(jì)成本、節(jié)約時(shí)間。從20世紀(jì)40年代初開始，一種新的思路得學(xué)者們創(chuàng)造出來，就是構(gòu)架法，它主要是被用來求解應(yīng)力問題。20世紀(jì)70年代，有限單元法拓展到了流體力學(xué)、磁場(chǎng)分析等領(lǐng)域等。在材料方面，有越來越多的稀有材料可以被應(yīng)用到有限單元法中來[32]。20世紀(jì)80年代，有限元法漸漸的被應(yīng)用于軍工領(lǐng)域，漸漸的市面上流傳有越來越多的有限元軟件，如：Abaqus、ANSYS等，它們有著操作簡(jiǎn)單、誤差低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。有限單元法計(jì)算的原理是：將模型整體劃分為多個(gè)、有固定尺寸的小的網(wǎng)格單元體。劃分的網(wǎng)格數(shù)目越多，計(jì)算越精確，計(jì)算的時(shí)間也就越長(zhǎng)，就算的也就越準(zhǔn)確。有限元分析的基本解題步驟1、幾何模型的創(chuàng)建：幾何模型創(chuàng)建其實(shí)也是一個(gè)模型簡(jiǎn)化的過程，真實(shí)的三維模型會(huì)有許多無用的倒角和通孔，這樣只會(huì)增加計(jì)算時(shí)間，占用計(jì)算資源，所以，我們只留下需要分析的部分，將其他的不必要的特性都隱藏掉。這是一個(gè)規(guī)范的過程，極少有不確定性。2、材料屬性材料屬性通常從材料庫中選擇，材料庫中沒有的，我們應(yīng)該查到材料的屬性，創(chuàng)建一個(gè)新的材料。材料中包含材料固有屬性屬性，對(duì)有限元分析，有著很重要的作用。3、網(wǎng)格劃分模型建立好之后，需要導(dǎo)成一定的格式，以便于有限元軟件進(jìn)行識(shí)別（如.x_t、.step格式），網(wǎng)格尺寸越小，計(jì)算的結(jié)果也就越精確，但是計(jì)算的時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)，占用的計(jì)算資源也就越廣，所以應(yīng)該合理的選擇網(wǎng)格尺寸。4、定義載荷通過有限元仿真軟件，在菜單欄中選中要施加的載荷類型，定說明其大小、方向就能完成載荷定義，這包含有一定的專業(yè)知識(shí)和環(huán)境因素，有時(shí)候還需要計(jì)算力的大小和方向。在實(shí)際生活中，我們只能大概的估計(jì)力的大小和方向，所以我們必須找到這個(gè)關(guān)系，估算出來，這樣以便于有限元的計(jì)算。5、定義約束定義邊界條件其實(shí)可以很好的反應(yīng)真實(shí)情況，能夠?qū)F(xiàn)實(shí)生活中的事情具體化。但是我們?cè)谄匠２僮鞯臅r(shí)候，又容易對(duì)模型過約束，產(chǎn)生的結(jié)果并不理想，或者遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離實(shí)際值。ANSYS軟件的主要功能和特點(diǎn)自20世紀(jì)50年代以來，有限單元法贏得了廣大科研愛好者的一致好評(píng)。隨著有限元算法的不斷精進(jìn)，并由此衍生出了一批操作簡(jiǎn)單、界面簡(jiǎn)介、結(jié)果精確的有限元軟件。計(jì)算機(jī)行業(yè)發(fā)展的越來越好，越來越多的仿真軟件也在市面上廣泛使用。ANSYS軟件有著強(qiáng)大功能，比如流體分析、靜力學(xué)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)、顯示動(dòng)力學(xué)等等，在用來解決實(shí)際問題和工程問題中起到了關(guān)鍵作用。ANSYS軟件是市面上主流的有限元分析軟件，它在眾多CAE軟件中脫穎而出，迅速占領(lǐng)主流市。該軟件功能十分多，主要包括流體、燃燒、熱、結(jié)構(gòu)分析等領(lǐng)域，主要能夠分析的領(lǐng)域又結(jié)構(gòu)分析、流體分析、輕量化設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、靜力學(xué)分析、顯示動(dòng)力學(xué)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析等等，在我國的各大高校和科研院所均得到了很大的歡迎，并將這款軟件作為教學(xué)軟件進(jìn)行講解。車床主軸三維建模在生產(chǎn)制造業(yè)中車床發(fā)揮舉足輕重的作用，對(duì)車床性能高低的一個(gè)重要衡量指標(biāo)是車床的加工精度。隨著國名經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步上升，我國對(duì)車床的生產(chǎn)加工有越來越高的要求，這就要求我們著重研究車床的效率、性能、與故障，讓車床保持一個(gè)良好的工作環(huán)境，加工出更加優(yōu)良的產(chǎn)品。其中，最主要的研究是關(guān)于車床的振動(dòng)問題，振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響加工精度，對(duì)應(yīng)于一個(gè)車床來說主軸就是最主要的一部分，機(jī)床使用年限還有它的工件加工精細(xì)度受它本身振動(dòng)的影響很大，也是它振動(dòng)要求指標(biāo)最高的地方[30]。數(shù)控機(jī)床是機(jī)電一體化最典型的產(chǎn)品，利用數(shù)字化控制機(jī)械加工過程，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率，同時(shí)也可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度。我國十分注重車床的發(fā)展，車床的發(fā)展制約著國民經(jīng)濟(jì)的上升，我國大到航空，小到家用電器，都離不開生產(chǎn)加工，國家也越來越重視這方面人才的培養(yǎng)，數(shù)控加工成為將來發(fā)展的新趨勢(shì)。CK61200的機(jī)床的結(jié)構(gòu)示意圖（圖3-1圖），該車床可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，500～10000r/min是該主軸的一個(gè)轉(zhuǎn)速的參考，車床主要是前后兩個(gè)支撐，前支撐采用雙圓柱滾子軸承，既可以起到支撐作用，又可以承受徑向力。后支撐采用圓柱滾子軸承，提高精度。圖3-1CK61200車床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Soildworks軟件介紹如圖3-2所示，SolidWorks基于在Windows環(huán)境下進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的軟件，是一個(gè)以設(shè)計(jì)功能為主兼運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的CAD/CAE/CAM軟件，其界面操作簡(jiǎn)單、有著人性化的使用風(fēng)格。該軟件具有功能全面、容易上手和技術(shù)創(chuàng)新SolidWorks三大特色，使得SolidWorks成為市面上主流的、占有一定地位的三維CAD設(shè)計(jì)軟件。SolidWorks能夠根據(jù)不同的需求，提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)對(duì)每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來說，易上手、人性化的設(shè)計(jì)界面是SoildWorks軟件的特點(diǎn)。這款軟件建模流程簡(jiǎn)潔，三維模型能夠比較直觀的展示在設(shè)計(jì)者的面前，這樣能夠大量的減小設(shè)計(jì)難度、節(jié)省大量時(shí)間。圖3-2SoildWorks2018操作界面為了更好讓設(shè)計(jì)產(chǎn)品從研發(fā)到改進(jìn)，最后加工成型之間數(shù)據(jù)的完美銜接，SoildWorks專門提供了專業(yè)的生產(chǎn)制造與檢測(cè)的全套開發(fā)環(huán)境。所以，無論是企業(yè)還是個(gè)人產(chǎn)品設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)模型都有很好的共享性和互通性，這種互通性表現(xiàn)在三維實(shí)體、工程圖、裝配圖等之間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，更加方便了用戶的使用。SoildWorks軟件界面簡(jiǎn)單，通俗易懂，我們使用它可以很方便的創(chuàng)建三維實(shí)體模型。首先，我們創(chuàng)建一個(gè)草圖，在草圖上繪制我們想要的圖像；然后，再通過特征模塊繼續(xù)拉伸、旋轉(zhuǎn)拉伸、放樣曲線等操作（如圖3-3所示）；最后，對(duì)模型進(jìn)行裝配。SoildWorks軟件還可以繼續(xù)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。圖3-3Soildworks2018繪圖區(qū)界面車床主軸的三維模型及相關(guān)參數(shù)主軸端部A2-8，適用于61200普通車床，床身最大回轉(zhuǎn)直徑400，轉(zhuǎn)速50-2000，最大功率輸入10kw，最大扭矩輸入230N·m。材料選為45＃鋼，材料屬性如下表：表3-1車床主軸材料參數(shù)彈性模量()泊松比密度()中抗剪模量()屈服強(qiáng)度()0.37850主軸的二維簡(jiǎn)化圖，如圖3-6所示。圖3-6車床主軸二維簡(jiǎn)化圖主軸前端也就是M1處，放置一個(gè)圓柱滾子軸承，起支撐主軸的作用，而且可以增強(qiáng)主軸的徑向剛度，為主軸加工轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)提供更加平穩(wěn)的工作環(huán)境。在主軸的后端主要有兩個(gè)支撐處（即M2、M3處），分別采用推力軸承和圓錐滾子軸承，既起到了一定的支撐作用，又對(duì)能承受徑向力。主軸的二維剖面圖，如圖3-7所示。圖3-7主軸的二維剖面圖主軸的三維模型圖，如圖3-8所示。圖3-8車床主軸三維模型車床主軸有限元分析車床主軸動(dòng)力學(xué)仿真是研究主軸振動(dòng)的有效方法。對(duì)車床主軸進(jìn)行靜力學(xué)分析，可以總結(jié)出單因素、多因素、環(huán)境對(duì)于振動(dòng)的影響。這對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)加工和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支撐和經(jīng)驗(yàn)分析。車床主軸的剛度、固有頻率和振型是主軸振動(dòng)頻率的主要影響參數(shù)。本章將進(jìn)行車床主軸的靜力學(xué)分析。圖4-1有限元分析流程圖有限元分析理論為了解決工程實(shí)際問題，有限元分析應(yīng)運(yùn)而生，將彈性力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)軟件相互融合的一種檢測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移的有效途徑[32]。有限元方法主要用來解工程問題和生活問題，是對(duì)問題的一種分析，為解釋這種現(xiàn)象提供可靠的依據(jù)。有限元法對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求比較高，一臺(tái)性能好的計(jì)算機(jī)可以使得有限元分析更加流暢，節(jié)約時(shí)間。當(dāng)下，世界上百分之九十以上的機(jī)械設(shè)備和裝置，都必須要通過有限元方法進(jìn)行分析，進(jìn)而繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)與可靠性分析。有限單元法通過求解方程的來解決實(shí)際的一種方法，他是通過將模型整體，劃分為有限個(gè)單元體，通過公式計(jì)算，使得力一步一步的按照給定的方向增大，最后達(dá)到想要的效果。實(shí)質(zhì)上，就是把連續(xù)體通過線或者面分割開來，分成無數(shù)個(gè)單元體。這種單元具有一定的尺寸、有限的數(shù)量各個(gè)單元之間相互連接，通過數(shù)值性來求解各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的值，并把他們聯(lián)系起來，來推斷并求出其它的未知量。模型簡(jiǎn)化在有限元法的基本思路是將整個(gè)物體進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，得到有限個(gè)小的單元體，他們相互由節(jié)點(diǎn)連接起來，通過方程進(jìn)行仿真計(jì)算[33]。減振鏜桿的做工過程十分復(fù)雜，主要是通過減振塊抑制阻力，進(jìn)而使得鏜桿的振動(dòng)減緩。但是有些不做功的結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化掉，否則會(huì)占用大量的計(jì)算資源，所以要對(duì)該部件運(yùn)動(dòng)過程做一系列的簡(jiǎn)化處理。在三維建模設(shè)計(jì)過程中，其中有很多細(xì)小的特征，這與仿真的最后結(jié)果以及是否能順利完成息息相關(guān)，還影響了分析過程中占用的計(jì)算資源的大小及最后結(jié)果的精確度。模型的簡(jiǎn)化應(yīng)考慮如下幾點(diǎn)因素：（1）在三維模型中取消掉倒角、孔和螺紋。這些特征會(huì)增加計(jì)算機(jī)計(jì)算的時(shí)間，占用大量的計(jì)算資源，給分析有限元帶來巨大的麻煩。（2）重建細(xì)節(jié)部件。部分零件體積小且不影響整體效應(yīng)，就要把這些零件進(jìn)行簡(jiǎn)化，避免占用不必要的計(jì)算資源。（3）簡(jiǎn)化連接構(gòu)件。在這個(gè)過程中，我們可以省略掉螺栓連接和鉚釘連接等，采用裝配體配合的方式裝配，這樣使得模型更加整潔，計(jì)算時(shí)間更見塊速，且不影響最后的結(jié)果。綜上所述，根據(jù)整體結(jié)構(gòu)有限元分析，我們能夠分清主次，將不重要的地方簡(jiǎn)化下去，避免占用不必要的計(jì)算資源，當(dāng)然我們也應(yīng)該遵循更加合適的簡(jiǎn)化原則。根據(jù)車床主軸振動(dòng)特性及受力特點(diǎn)，去掉無用的倒角和螺紋，可以將車床主軸簡(jiǎn)化為如圖4-2所示的簡(jiǎn)化模型。圖4-2車床主軸簡(jiǎn)化三維模型圖車床主軸網(wǎng)格劃分及邊界條件網(wǎng)格劃分在模型創(chuàng)建后，采用合適的合適導(dǎo)入Ansys中，然后，進(jìn)行下一步，就是網(wǎng)格劃分。有限元分析對(duì)主軸進(jìn)行分析時(shí)有以下幾個(gè)步驟：首先，要對(duì)主軸確定網(wǎng)格尺寸，將整體劃分成有限個(gè)細(xì)小的單元體，各個(gè)單元體之間通過共節(jié)點(diǎn)，組成整體。網(wǎng)格劃分有著至關(guān)重要的作用，網(wǎng)格劃分的好壞，將對(duì)計(jì)算的精確度有著很大的關(guān)系。在Ansys中網(wǎng)格劃分的軟件有很多，比如ICEM、mesh等，本文采用Mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將上述簡(jiǎn)化三維模型，在Soildworks中導(dǎo)出為.x_t的文件格式，并打開Ansysworkbench2020R2中的StaticStructural模塊，通過Geometry<ImportGeometry<Browse導(dǎo)入剛才保存的.x_t文件，然后網(wǎng)格劃分。Workbench中ANSYSMeshing是集成在Ansys中的一個(gè)軟件，給用戶提供一種便捷、通用的網(wǎng)格劃分的工具。網(wǎng)格的類型包括很多，比如：四面體、六面體、三棱柱、金字塔形等，所有的網(wǎng)格都將在Workbench中共享，也可以通過拖拽的方式將各個(gè)項(xiàng)目通過線聯(lián)系在一起。為保證計(jì)算結(jié)果的精確度，減少計(jì)算機(jī)消耗的時(shí)間，采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格尺寸為6mm，本文采用Workbench中默認(rèn)單元類型Solid186單元。網(wǎng)格劃分完成后，總計(jì)39160個(gè)網(wǎng)格和143676個(gè)節(jié)點(diǎn)，本次劃分的網(wǎng)格多為六面體，結(jié)果如圖4-3。圖4-3車床主軸整體網(wǎng)格接觸設(shè)置及邊界條件在車床工作的過程中，轉(zhuǎn)速低的情況下，軸的力學(xué)性能比較差，傳遞全功率的最低轉(zhuǎn)速稱為計(jì)算轉(zhuǎn)速[34]。本文采用靜力學(xué)分析，主要是想得到主軸的應(yīng)力云圖和位移云圖。車床系統(tǒng)內(nèi)部錯(cuò)綜復(fù)雜，發(fā)動(dòng)機(jī)通過一系列的傳動(dòng)系統(tǒng)，將動(dòng)力傳輸?shù)街鬏S上。本文研究的是CK61200機(jī)床，計(jì)算轉(zhuǎn)速=150r/min電動(dòng)機(jī)功率P=80kW，工作效率為0.8，由公式：取，得到轉(zhuǎn)矩，求出主軸在齒輪處所受到的圓周力,徑向力。進(jìn)給速度；背吃刀量；進(jìn)給量，根據(jù)切削力的指數(shù)公式:式中：取決于被加工材料和切削條件的有關(guān)系數(shù)；分別為、的指數(shù)；為受切削速度、刀具幾何參數(shù)、刀具磨損等因素影響的修正系數(shù)。以上系數(shù)均可通過查表得到，由上述公式可計(jì)算出：邊界條件：約束條件要求在車床主軸鍵槽圓柱面上添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，轉(zhuǎn)矩；在M1處施加一個(gè)約束，在與圓錐滾子軸承內(nèi)圈接觸的主軸表面（M1）上添加Ｘ、Ｙ、Ｚ三向移動(dòng)約束；M2方向添加圓柱形約束x、y兩方向?yàn)楣潭s束，在方向z上自由位移；在M3處施加來模擬切削力，如圖4-4所示。分析設(shè)置：大變形效應(yīng)開啟，弱彈簧開啟，求解總時(shí)間為1s，其他保持默認(rèn)設(shè)置。圖4-4約束與載荷有限元仿真結(jié)果分析靜力學(xué)分析完成后，得到主軸總變形圖、主軸應(yīng)力分布圖，如圖4-5、4-6所示：圖4-5主軸總變形圖圖4-6主軸等效應(yīng)力圖由以上仿真結(jié)果得知，在ANSYSWorkbench環(huán)境中分析機(jī)床主軸在給定靜力載荷的作用下的響應(yīng)，選取主軸最大變形量作為反映剛度性能的參數(shù)。根據(jù)上述模擬條件，對(duì)機(jī)床主軸原始模型進(jìn)行分析求解，獲得的機(jī)床主軸總變形圖如圖4-5所示。由圖可知，主軸最大位移量位于主軸端面處，為0.04768mm，在車削過程中，刀具產(chǎn)生的切削力對(duì)此處的影響最大。從等效應(yīng)力圖來看，機(jī)床主軸的強(qiáng)度和剛度是滿足要求的，判斷的依據(jù)是最大應(yīng)力小于其許用應(yīng)力（最大應(yīng)力為11.651Mpa），并且是從M1到M2逐漸增大的。車床主軸模態(tài)分析為了獲取減振主軸的固有頻率，需對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析[35]。模態(tài)分析是分析振動(dòng)的主要工具，通過分析獲主軸振動(dòng)的各級(jí)固有頻率，判斷主軸設(shè)計(jì)的合理性及振型是否影響加工精度，有助于后續(xù)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)特性分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)除故障等研究。模態(tài)分析主要是看前幾階模態(tài)，因此本文只提取車床主軸的前六階的固有頻率。模態(tài)分析的理論一個(gè)N自由度線性定常振動(dòng)系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)方程為：(5.1)式中為該振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣，和分別為系統(tǒng)各點(diǎn)的位移向量和激勵(lì)力向量。對(duì)式(5.1)兩邊進(jìn)行拉氏變換，可得：(5.2)令，將其代入上式則有：(5.3)令，其中為振型矩陣，為模態(tài)坐標(biāo)。將其帶入（2.3）得：(5.4)由于振型矩陣對(duì)于質(zhì)量矩陣和剛度矩陣具有正交性關(guān)系，將質(zhì)量和剛度矩陣對(duì)角化，得出：如果系統(tǒng)的阻尼矩陣也可被對(duì)角化結(jié)構(gòu)阻尼、比例阻尼或小阻尼的情況,即有：對(duì)(5.4)前乘有：(5.5)通過解耦后的第個(gè)方程為：(5.6)采用歸一化方法，使模態(tài)質(zhì)量歸一，記模態(tài)質(zhì)量歸一化振型為，即：(5.7)(5.8)式中為模態(tài)固有頻率，Hz。模態(tài)分析模態(tài)分析是獲取主軸固有頻率和振型的有效途徑。模態(tài)分析是靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)，通過分析獲取主軸振動(dòng)的各級(jí)固有頻率判斷主軸設(shè)計(jì)的合理性及振型是否影響加工精度，有助于后續(xù)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)特性分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)除故障等研究。實(shí)體的振動(dòng)特性主要由前幾階模態(tài)所決定的，因此本文只提取主軸前六階的固有頻率[36]。在ANSYSWorkbench軟件中對(duì)機(jī)床主軸原始模型進(jìn)行有約束條件下的模態(tài)分析，以固定支撐與圓柱行支撐摸擬前后支承對(duì)主軸的約束作用，如圖5-1所示。圖5-1模態(tài)約束對(duì)車床主軸模型進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，在頻率范圍為Hz內(nèi)的各階振型如圖5-2所示。a.第一階振型b.第二階振型c.第三階振型d.第四階振型e.第五階振型f.第六階振型圖5-2車床主軸前6階振型圖表5-1前6階固有頻率第1階第2階第3階第4階第5階第6階328.23Hz328.24Hz1207.7Hz1957.4Hz2118.6Hz2119.4Hz低階振型相對(duì)于高階振型來說更具有參考價(jià)值，所以本次分析只取了前階6階[37]。(5.9)表5-2主軸各階臨界轉(zhuǎn)速階次123456頻率/Hz328.23328.241207.71957.42118.62119.4進(jìn)階轉(zhuǎn)速196931969372462117444--當(dāng)主軸從低速到高速轉(zhuǎn)速逐漸增加時(shí)，會(huì)經(jīng)過一個(gè)臨界轉(zhuǎn)速，經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，會(huì)使軸發(fā)生導(dǎo)致軸的壽命減小，更會(huì)嚴(yán)重減少主軸的壽命，甚至破壞軸，根據(jù)模態(tài)分析得到固有頻率，并由式(5.9)可以計(jì)算出主軸各階臨界轉(zhuǎn)速，見表5-2。根據(jù)固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，得出機(jī)床在工作時(shí)發(fā)生共振現(xiàn)象的條件，驗(yàn)證了該機(jī)床主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，為以后此類車床主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考?？偨Y(jié)與展望總結(jié)本論文主要介紹了車床主軸有限元建?；纠碚摶A(chǔ)知識(shí)，以車床主軸為重點(diǎn)研究對(duì)象，利用ANSYSWorkbench有限元分析軟件建立了主軸有限元模型，對(duì)其進(jìn)行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，在考慮工件低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的工況下，計(jì)算出主軸所受的切削力、轉(zhuǎn)矩、圓周力及約束，得到更精確的分析結(jié)果，驗(yàn)證了主軸設(shè)計(jì)的合理性。在靜力學(xué)分析中，對(duì)主軸進(jìn)行受力分析并計(jì)算出力的大小，對(duì)車床主軸施加了載荷和約束，得到了車床主軸的總變形圖和等效應(yīng)力圖，得到了車床主軸的最大位移及最大應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)合理，為今后的車床故障分析提供了理論依據(jù)。在模態(tài)分析中，獲取主軸的固有頻率，通過分析獲取主軸振動(dòng)的各級(jí)固有頻率判斷主軸設(shè)計(jì)的合理性及振型，通過固有頻率得到了各階頻率的臨界轉(zhuǎn)速，有助于后續(xù)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)特性分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)除故障等。展望由于數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，所以研究車床主軸的振動(dòng)機(jī)理仍然是今后的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文只是對(duì)車床主軸進(jìn)行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，以便后續(xù)更好的研究。在此基礎(chǔ)上，還有很多方面需要研究和發(fā)現(xiàn)。（1）對(duì)車床進(jìn)行多方面研究，如齒輪、控制系統(tǒng)。（2）對(duì)車床主軸性能的影響因素進(jìn)行探究。參考文獻(xiàn)苗圩.中國制造2025:邁向制造強(qiáng)國之路[J].電氣時(shí)代,2015(7):24-26.鞠修勇,劉航,黨會(huì)鴻,等.加工中心主軸熱誤差建模與檢測(cè)技術(shù)研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2015(3):3.仇健.GMC2550u橋式加工中心樣機(jī)綜合精度測(cè)評(píng)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2014.王全寶,武記超,羅永俊,等.滑枕熱變形精度補(bǔ)償技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2012,29(10):4.AltintasY,CaoY.VirtualDesignandOptimizationofMachineToolSpindles[J].CIRPAnnals-ManufacturingTechnology,2005,54(1):379-382.FuPQ,ZhangQ,ZhangFH,etal.ModalAnalysisofVerticalSpindleUsingonFly-CuttingMachineToolwithTransferMatrixMethod[J].KeyEngineeringMaterials,2014,589-590:680-685.SankarJ,HughC,KevinWL.Virtualassemblyusingvirtualrealitytechniques[J]Computer-AidedDesign,2006,29(8):114-115.SujeetGaneshKore,Sakri,Karadi.DESIGNANDANALYSISOFAMACHINETOOLSTRUCTUREBASEDONSTRUCTURALBIONICS[J].InternationalJournalofMechanicalEngineeringandRoboticsResearch,2014,3(3):731-737.VinhDC,ChaojiangLI,YongLI,etal.ToolalignmentontheBaxisrotarytableofanultra-precisionlathemachine[J].JournalofTsinghuaUniversity,2014,54(11):1466-1470.WangW,KweonSH,KimIN,etal.STRUCTURALMODELINGANDSIMULATIONOFMINIATURIZEDMACHINETOOL:3-AXISVERTICALMICRO-END-MILLINGSYSTEM[J].InternationalJournalofModernPhysicsB,2006,20(25&27):3811-3816.MinS,NishiwakiS,KikuchiN.Unifiedtopologydesignofstaticandvibratingstructuresusingmultiobjectiveoptimization[J].Computers&Structures,2000,75(1):93-116.DiazA,KikuchiN.Solutionstoshapeandtopologyeigenvalueoptimizationproblemsusingahomogenizationmethod[J].IntJNumMethEngrg.1992,35:1487-1502.JayaramS,ConnacherHI,LyonsKW.Virtualassemblyusingvirtualrealitytechniques[J].Computer-AidedDesign,1997,29(8):575-584.DuongCV,LiC,LiY,etal.ToolalignmentontheBaxisrotarytableofanultra-precisionlathemachine[J].QinghuaDaxueXuebao/journalofTsinghuaUniversity,2014,54(11):1466-1470.KoreSG,SakriMI,KaradiLN.DESIGNANDANALYSISOFAMACHINE