基于ANSYS的數(shù)控機(jī)床主軸的有限元分析

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1、,畢業(yè)論文答辯,機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 機(jī)械卓越,141,班,基于,ANSYS,的數(shù)控機(jī)床主軸的有限元分析,指導(dǎo)老師,學(xué)生,軟件介紹及有限元基礎(chǔ),PART 02,章 節(jié),主軸的靜態(tài)分析,PART 04,主軸結(jié)構(gòu)的改進(jìn),PART 0,6,結(jié)果與討論,PART 0,7,選題背景及意義,PART 01,主軸的動(dòng)態(tài)分析,PART 0,5,主軸的有限元建模,PART 03,選題背景及意義,PART 01,機(jī)床主軸向著高速、高精、高效的方向發(fā)展，尤其是高精度的數(shù)控機(jī)床主軸的設(shè)計(jì)成為近年研究的熱點(diǎn),1.1,國(guó)外研究現(xiàn)狀,1.2,國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀,1.3,存在問(wèn)題及研究意義,1.4,采用的研究方法,主軸部件作為數(shù)

2、控機(jī)床最關(guān)鍵部件之一，但國(guó)內(nèi)機(jī)床主軸設(shè)計(jì)的主流的是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)果使主軸的某些結(jié)構(gòu)尺寸偏大，不但不能很好的利用材料，而且機(jī)床整體性能難以提高。,國(guó)外對(duì)主軸結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)特性研究開(kāi)展較早，技術(shù)較成熟；國(guó)內(nèi)對(duì)主軸系統(tǒng)的研究要比國(guó)外晚一些，但我國(guó)對(duì)機(jī)床主軸研究也取得了很大的進(jìn)展，并形成了一定的體系。,選題背景及意義,國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及意義,選題背景及意義,存在的問(wèn)題采用的研究方法,經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為主，誤差較大,局部尺寸偏大，材料浪費(fèi),設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，耗時(shí)費(fèi)力,設(shè)計(jì)角度單一，考慮不全,存在的問(wèn)題,采用研究的方法,利用ANSYS軟件進(jìn)行三維建模，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過(guò)施加邊界載荷條件對(duì)主軸進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)分析，找出結(jié)構(gòu)的薄弱

3、點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。,研究方法流程圖,軟件介紹及有限元基礎(chǔ),PART 0,2,軟件介紹及有限元基礎(chǔ),ANSYS,簡(jiǎn)介,主要功能,靜力分析,模態(tài)分析,諧響應(yīng)分析,瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析,專項(xiàng)分析,ANSYS有限元軟件是由美國(guó)著名的ANSYS公司開(kāi)發(fā)研究出來(lái)的大型計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件，它是融合結(jié)構(gòu)分析、熱分析、流體分析、電磁分析、聲學(xué)分析等多種分析為一體的有限元分析軟件，ANSYS軟件具有豐富的單元庫(kù)，提供對(duì)模型的多種分析，具有強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分能力，此外，ANSYS軟件還能進(jìn)行進(jìn)行各式各樣的耦合場(chǎng)分析，具有強(qiáng)大的分析功能。,有限元方法簡(jiǎn)介,有限元法，或稱有限單元法，是當(dāng)今工程分析中應(yīng)用最廣泛的數(shù)

4、值計(jì)算方法。其基本思想是將物體即連續(xù)的求解域離散成有限個(gè)按一定方式相互連接在一起的單元組合，來(lái)模家和通近原來(lái)的物體，從而將連續(xù)的無(wú)限 自由度問(wèn)題簡(jiǎn)化為離散的有限自由度問(wèn)題。,有限元方法優(yōu)點(diǎn),可以分析結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的模型,能夠處理復(fù)雜的邊界條件約束,可以保證規(guī)定的工程精度,主軸的有限元建模,PART 03,ANSYS,建模分析相比傳統(tǒng)三維建模導(dǎo)入到,ANSYS,軟件中分析要更準(zhǔn)確,3.1 ANSYS,三維建模前處理,3.2,三維建模,3.3,網(wǎng)格劃分,布爾操作修正模型,生成三維實(shí)體模型,有限元建模前處理,輸入彈性模量EX為2.11E11，泊松比PRXY為0.27,繪制基本幾何元素,主軸的有限元建模

5、,前處理及有限元建模,ANSYS,軟件建模,三維軟件建模,精度高，工作量較大,精度低，工作量較小,網(wǎng)格劃分后的實(shí)體模型,主軸的有限元建模,網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分的主要操作步驟,(1)導(dǎo)入主軸文件,spindle.db,文件,(2),選擇單元類型，選用,Solid185,單元。,(3)定義單元選項(xiàng)。,(4)進(jìn)行劃分網(wǎng)格設(shè)置。,(,5,)完成網(wǎng)格劃分。,網(wǎng)格劃分分為自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的好壞直接決定分析的精確性,主軸的靜態(tài)分析,PART 04,數(shù)控機(jī)床主軸的靜態(tài)特性對(duì)機(jī)床整體的精度及穩(wěn)定具有十分重要的影響，對(duì)主軸的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義,4.1,靜態(tài)分析基礎(chǔ),4.2 確定主軸切削力的大

6、小,4.3,主軸的靜力學(xué)分析,4.4 結(jié)果分析,主軸的靜態(tài)分析,靜態(tài)分析基礎(chǔ),1,主軸靜剛度,F代表外載荷矩陣,代表節(jié)點(diǎn)位移矩陣,K代表結(jié)構(gòu)剛度矩陣,在切削力的影響下，有可能會(huì)發(fā)生較大的形變量，這樣會(huì)對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工精度、工件表面的粗糙度造成影響，甚至機(jī)床主軸軸承會(huì)有較大的磨損，更嚴(yán)重的是破壞主軸系統(tǒng)的平穩(wěn)性。一個(gè)重要指標(biāo)就是主軸的靜剛度。,2,靜態(tài)分析有關(guān)方程,應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系,彈性模量、切變模量和泊松比的關(guān)系,3,化簡(jiǎn)后相關(guān)方程,簡(jiǎn)寫(xiě)為,D的大小由彈性模量E和泊松比,決定,主軸的靜態(tài)分析,主軸切削力大小的確定,主軸切削力的確定,F切削力；n,C,主軸的轉(zhuǎn)速；傳動(dòng)系統(tǒng)效率；P,E,主軸電機(jī)功

7、率；D,C,計(jì)算直徑；對(duì)于數(shù)控機(jī)床，D,C,=,(,0.50.6,),D,max,在這個(gè)式子中，Dmax應(yīng)為數(shù)控機(jī)床最大的加工直徑,主軸切削力確定所需數(shù)據(jù),名稱,P,E,n,C,D,C,數(shù)值,23KW,0.95,6000r/min,160mm,計(jì)算結(jié)果：,主軸的靜態(tài)分析,主軸的靜態(tài)分析,約束邊界條件,施加受力載荷,主要步驟,（1）打開(kāi)已經(jīng)劃分好網(wǎng)格主軸兒何模型spindle.db文件。,（2）鼠標(biāo)左鍵單擊main menu主菜單，單擊打開(kāi)solution選項(xiàng)菜單，打開(kāi)analysis type分析類型菜單，點(diǎn)擊new analysis分析命令，選擇static靜力學(xué)分析。,（3）鼠標(biāo)左鍵單擊m

8、ain menu主菜單，點(diǎn)擊打開(kāi)solution菜單，打開(kāi)define loads選項(xiàng)，點(diǎn)擊apply應(yīng)用按鈕應(yīng)用，選擇structural靜力分析選項(xiàng)，選擇約束displacement中的on nodes命令，限制主軸軸承中點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)自由度，如圖所示。,（4）鼠標(biāo)左鍵單擊main menu主菜單，點(diǎn)擊打開(kāi)solution菜單，打開(kāi)define loads選項(xiàng)，點(diǎn)擊apply應(yīng)用按鈕應(yīng)用，選擇structural靜力分析選項(xiàng)，選擇pressure施加受力載荷on nodes的選項(xiàng)，將切削力載荷加在主軸上，如圖所示。,（5）,求解。,邊界條件約束對(duì)分析結(jié)果有很大的影響，能否對(duì)模型進(jìn)行準(zhǔn)確約束直接

9、關(guān)系到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,主軸的靜態(tài)分析,結(jié)果分析,主軸受力應(yīng)變?cè)茍D,主軸的靜剛度,主軸的靜態(tài)分析,結(jié)果分析,主軸受力應(yīng)力云圖,從圖中可以看出主軸的最大應(yīng)力，在切削力載荷的作用下主軸存在著應(yīng)力集中點(diǎn)，最大應(yīng)力接觸點(diǎn)在主軸軸肩附近，即使考慮到主軸結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力集中點(diǎn)，查機(jī)械手冊(cè)得知40Cr的屈服強(qiáng)度為780MPa，在此情況下，主軸最高的應(yīng)力為1179.8Pa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主軸的屈服強(qiáng)度，主軸的強(qiáng)度滿足要求。,通過(guò)對(duì)比主軸剛度和強(qiáng)度的分析結(jié)果，可以得到主軸的加工精度受到的影響往往,剛度大于強(qiáng)度,。,主軸的動(dòng)態(tài)分析,PART 0,5,機(jī)床主軸的動(dòng)態(tài)特性是衡量機(jī)床主軸抵抗強(qiáng)制和自激振動(dòng)的能力。尤其是在高速、精

10、密機(jī)床中，主軸的動(dòng)態(tài)特性往往對(duì)機(jī)床生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生非常重要的影響。,5.1 動(dòng)態(tài)分析概念,5.2 主軸模態(tài)分析步驟,5.3 結(jié)果分析,主軸的動(dòng)態(tài)分析,動(dòng)態(tài)分析概念,動(dòng)態(tài)分析相關(guān)計(jì)算方程,機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程：,M為總質(zhì)量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，x為節(jié)點(diǎn)位移列矩陣，Q為外加激勵(lì)矩陣,簡(jiǎn)化后的運(yùn)動(dòng)方程為設(shè)系統(tǒng)各質(zhì)量塊按照同頻率和同相位作間諧振動(dòng)：,下面的系統(tǒng)特征方程：,求解該方程可求得n個(gè)z根為特征值，開(kāi)方后可得到n個(gè)固有頻率，按照從小到大的次序稱為第1階、第2階、第n階固有頻率,整個(gè)系統(tǒng)在簡(jiǎn)諧受迫時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的方程為：,可以看出：當(dāng)時(shí)，第n階主振動(dòng)的振動(dòng)幅度會(huì)變得非常大，這樣，我們可

11、以看作系統(tǒng)的第n階共振。,主軸的動(dòng)態(tài)分析,動(dòng)態(tài)分析,步驟,打開(kāi)已經(jīng)劃分好網(wǎng)格主軸兒何模型spindle.db文件。,鼠標(biāo)單擊main menu有限元分析主菜單，選擇modal動(dòng)力學(xué)分析。,單擊main menu主菜單，限制主軸軸承中點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)自由度。,單擊main menu按鈕之后，點(diǎn)擊solution按鈕，打開(kāi)load step opts按鈕，打開(kāi)expansionpass拓展求解選項(xiàng)，在calculate elem results?選項(xiàng)后面勾選yes這一項(xiàng)，點(diǎn)擊ok按鈕如圖5.1所示。,單擊main menu按鈕之后，點(diǎn)擊solution按鈕，打開(kāi)load step opts按鈕，打開(kāi)ou

12、tput ctrls選項(xiàng)，點(diǎn)擊solu printout后，彈出對(duì)話框，在item for print out control選項(xiàng)后面選擇All items選項(xiàng)，在FREQ print frequency的選項(xiàng)后面勾選every substep這一項(xiàng)，點(diǎn)擊ok按鈕即可。,單擊main menu按鈕之后，點(diǎn)擊solution按鈕，打開(kāi)load step opts按鈕，打開(kāi)output ctrls選項(xiàng)，點(diǎn)擊DB/results file，彈出如圖5.2所示對(duì)話框，在item for print out control選項(xiàng)后面選擇All items選項(xiàng)，在FREQ print frequency的選

13、項(xiàng)后面勾選every substep這一項(xiàng)，點(diǎn)擊ok按鈕即可,拓展求解設(shè)置,動(dòng)態(tài)分析步驟,拓展求解設(shè)置,主軸的動(dòng)態(tài)分析,結(jié)果分析,主軸模態(tài)分析一階振型圖及仿真圖,從主軸的第一階振型圖圖中可以看出：機(jī)床主軸前端沿主軸的X軸方向發(fā)生輕微彎曲振動(dòng)，最大形變量為14.2,m,主軸的動(dòng)態(tài)分析,結(jié)果分析,主軸模態(tài)分析三階振型圖及仿真圖,從主軸的第三階振型圖圖中可以看出：機(jī)床主軸尾部沿主軸的Z軸方向發(fā)生彎曲振動(dòng)，最大形變量為23.5,m,主軸的動(dòng)態(tài)分析,結(jié)果分析,主軸模態(tài)分析五階振型圖及仿真圖,從主軸的第五階振型圖圖中可以看出：機(jī)床主軸軸身沿主軸的Z軸方向發(fā)生輕微彎曲振動(dòng)，而且主軸尾部也產(chǎn)生微小彎曲振動(dòng)，最

14、大形變量為11.9,m,主軸的動(dòng)態(tài)分析,結(jié)果分析,主軸模態(tài)分析七階振型圖及仿真圖,從主軸的第七階振型圖圖中可以看出：機(jī)床主軸前端產(chǎn)生徑向振動(dòng)，最大變形量為15.1,m,主軸的動(dòng)態(tài)分析,結(jié)果分析,主軸模態(tài)分析九階振型圖及仿真圖,從主軸的第九階振型圖圖中可以看出：機(jī)床主軸尾端產(chǎn)生徑向振動(dòng)，最大變形量為22,m,主軸的動(dòng)態(tài)分析,結(jié)果分析,主軸模態(tài)分析十階振型圖及仿真圖,從主軸的第十階振型圖圖中可以看出：主軸軸身產(chǎn)生整體軸向、徑向振動(dòng)，最大變形量為22,m,主軸的動(dòng)態(tài)分析,結(jié)果分析（臨界轉(zhuǎn)速分析）,主軸模態(tài)分析前十階臨界頻率及振動(dòng)特點(diǎn),階數(shù),臨界頻率(kz),特點(diǎn),階數(shù),臨界頻率(kz),特點(diǎn),1,2

15、.315,前部彎曲振動(dòng) X方向,6,2.996,軸身彎曲振動(dòng) Z方向,2,2.315,前部彎曲振動(dòng) Z方向,7,3.459,前部徑向振動(dòng),3,2.726,尾部彎曲振動(dòng) Z方向,8,4.943,軸身徑向振動(dòng),4,2.729,尾部彎曲振動(dòng) X方向,9,5.529,軸尾徑向振動(dòng),5,2.991,軸身彎曲振動(dòng) Z方向,10,5.959,整體振動(dòng),主軸理論轉(zhuǎn)速,根據(jù)主軸臨界轉(zhuǎn)速與頻率之間的關(guān)系，如式：,n代表臨界轉(zhuǎn)速；f代表臨界頻率,主軸模態(tài)分析前十階理論臨界轉(zhuǎn)速,階數(shù),1,2,3,4,5,臨界轉(zhuǎn)速,138900,138900,163560,163740,179460,階數(shù),6,7,8,9,10,臨界轉(zhuǎn)

16、速,179760,207540,296580,331740,357540,主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速分析,階數(shù),1,2,3,4,5,臨界轉(zhuǎn)速,140132.56,140132.56,166355.87,166593.71,184016.79,階數(shù),6,7,8,9,10,臨界轉(zhuǎn)速,183725.21,212117.99,301639.16,337951.83,364252.81,截面產(chǎn)生的離心力：,實(shí)際轉(zhuǎn)速求解方程：,m為單位長(zhǎng)度軸的質(zhì)量；y為撓度值；E為彈性模量；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,主軸模態(tài)分析前十階理論臨界轉(zhuǎn)速,主軸的動(dòng)態(tài)分析,結(jié)果分析（臨界轉(zhuǎn)速分析）,如果主軸以接近臨界速度的轉(zhuǎn)速工作時(shí)，主軸就會(huì)產(chǎn)生較大的撓度，進(jìn)而產(chǎn)生較強(qiáng)的振動(dòng)，降低主軸的壽命。從上表中我們可以清晰的看出主軸一階振型的理論臨界轉(zhuǎn)速為138900r/min，考慮到實(shí)際工作之中的情況，我們可以計(jì)算出主軸修正后的一階臨界轉(zhuǎn)速為140132.56r/min，機(jī)床主軸的最高轉(zhuǎn)速為6000r/min，主軸一階臨界轉(zhuǎn)速是機(jī)床主軸的最高轉(zhuǎn)速的23.36倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主軸的最高轉(zhuǎn)速，故機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)合理，滿足使用要求。,模態(tài)分析結(jié)果與討論,主軸結(jié)構(gòu)的改進(jìn),