基于ANSYS的數(shù)控機床主軸的有限元分析-開題報告

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畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告設(shè)計(論文) 題目： 基于 ANSYS 的數(shù)控機床主軸的有限元分析 學(xué)院： 機械工程學(xué)院 專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級： 機械卓越 141 班 學(xué) 生 姓 名 : 指 導(dǎo) 教 師 ： 系 主 任 : 年 3 月 30 日畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫2000 字左右的文獻綜述：文 獻 綜 述1.1 課題研究背景及意義裝備制造業(yè)發(fā)展水平是一個國家綜合國力的重要體現(xiàn)，國家重大裝備制造更是事關(guān)國家經(jīng)濟安全、國防安全的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。西方國家甚至用裝備制造業(yè)技術(shù)水平的高低來衡量一個國家在該領(lǐng)域的地位，中國是工程機械設(shè)備的制造大國。但是，中國工程機械行業(yè)在許多關(guān)鍵零部件的制造上一直受制于西方發(fā)達國家，其主要原因是缺少高精度的數(shù)控機床。隨著現(xiàn)在經(jīng)濟的飛速發(fā)展和生產(chǎn)水平的不斷提高，數(shù)控機床在我國國民經(jīng)濟現(xiàn)代化的建設(shè)中成為不可或缺的一部分。主軸部件作為數(shù)控機床最關(guān)鍵部件之一，同時主軸部件的設(shè)計是實現(xiàn)數(shù)控車床高速、高精和高效加工的最關(guān)鍵技術(shù)之一。因此,主軸部件的靜態(tài)特性和動態(tài)特性與結(jié)構(gòu)對數(shù)控機床的加工質(zhì)量和切削能力起決定性作用。由此可見，分析數(shù)控機床主軸部件的靜動態(tài)特性,對提升數(shù)控機床的工作性能尤為重要，對改善我國裝備制造業(yè)總體比較落后的技術(shù)水平，具有重大的理論和現(xiàn)實意義。目前，國內(nèi)機床設(shè)計的主流的是經(jīng)驗設(shè)計，機床結(jié)構(gòu)中所涉及的設(shè)計計算一直沿用普通的結(jié)構(gòu)計算方法。雖然這些計算公式大多是依據(jù)強度方面的理論而導(dǎo)出，并且通過一定的試驗和測試的驗證，具有一定的科學(xué)依據(jù)和可靠性。但由于現(xiàn)代數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)相比普通機床較為復(fù)雜，僅憑簡單的計算理論，在計算時要對數(shù)學(xué)模型進行大量的簡化，致使計算精度很差。有些項目更是因為計算繁瑣，時間耗費大，最終無法計算出結(jié)果。因而在實際生產(chǎn)與設(shè)計中，設(shè)計工作者仍然使用外推或類比的方法對機床結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。而這種相對傳統(tǒng)的方法，僅僅適用于數(shù)控機床中不同結(jié)構(gòu)性能的定性分析和比較上。在進行實際結(jié)構(gòu)設(shè)計時，仍取較大的安全系數(shù)，結(jié)果使機床中的某些結(jié)構(gòu)尺寸和重量偏大，不但不能很好的利用材料，而且機床結(jié)構(gòu)性能難以提高。特別對于機床主軸這種影響機床加工精度的重要部件，只能依靠以往的經(jīng)驗進行局部修正，無法進行優(yōu)化設(shè)計。1.2 機床主軸特性分析在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 機床主軸特性分析在國外的研究現(xiàn)狀國外學(xué)者對主軸結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)特性研究開展較早，最早對主軸特性分析的可追隧到 20 世紀 60 年代的 Bollinger 將軸承模擬為一個簡單的阻尼器和徑向彈簧，分析了車床主軸的動靜態(tài)特性，2007 年，Y Cao 等建立了主軸-軸承系統(tǒng)，研究了軸承預(yù)緊力對主軸系統(tǒng)動態(tài)剛度的影響，進而提高系統(tǒng)的固有頻率，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。2009 年，D. Li Y. Guan ，G. Xu 使用 PRO/E 軟件的有限元模塊對機床的床身進行了有限元模態(tài)分析，找出機床的薄弱環(huán)節(jié)，改進了床身的設(shè)計 [2]。2010 年，ABELE E, ALTINTAS Y 等研究了機床主軸單元系統(tǒng)，較系統(tǒng)的從主軸靜動態(tài)特性和主軸的熱特性進行了分析 [3]。2011 年，KL Cavalca 等建立了轉(zhuǎn)子-軸承-基礎(chǔ)有限元模型，研究了基礎(chǔ)質(zhì)量對固有頻率的影響 [4]。同年，P Kolar 等通過建立主軸-刀具耦合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并做了動力學(xué)分析 [5]。2015 年，J Hong 等等建立了轉(zhuǎn)子-軸承的基礎(chǔ)有限元模型，研究了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)質(zhì)量的增加會導(dǎo)致系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速的降低 [6]。1.2.2 機床主軸特性分析在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀國內(nèi)對主軸系統(tǒng)的靜動態(tài)特性研究要比國外晚一些，在國外研究的基礎(chǔ)上，我國對機床主軸研究也取得了很大的進展，2007 年，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的孟凡富、楊濤等采用 ANSYS 對 CHK1450 電主軸進行有限元分析，得出縮短主軸的前懸伸量、合理地選擇軸承的配置方式和主軸的跨距可以提高主軸的剛度與固有頻率，以改善主軸系統(tǒng)的動力特性 [7]。2009 年，張耀滿、王偉采用有限元法分析了機床主軸部件橫向振動的固有特性，并研究了采用彈簧阻尼單元模擬軸承支承的方法 [8]。2012 年，廣西大學(xué)的許梟對 XH2320/4 銑床主軸進行有限元分析，并提出優(yōu)化設(shè)計方案 [9]。在這一年，梁雙翼、陳晨等對電主軸進行了模態(tài)分析，并證明了電主軸最高轉(zhuǎn)速是設(shè)計合理的 [10]。2014 年，馬巖，岳彩裙等對暗直榫歐式木窗專用數(shù)控機床主軸的尺寸結(jié)構(gòu)進行分析，并驗證其設(shè)計的合理性 [11]。同年，華東交通大學(xué)的胡維東對GSLM3308 機床主軸箱靜動態(tài)分析，并分析了主軸箱的熱特性及拓撲優(yōu)化 [12]。趙大興，王婷等對磨齒機主軸系統(tǒng)進行了模態(tài)分析，得出主軸前后支撐間距對砂輪主軸組件系統(tǒng)的模態(tài)頻率和最大變形量有較大影響 [13]。2015 年，東北大學(xué)的汪博、孫偉、聞邦椿建立了考慮轉(zhuǎn)速的主軸-軸承的通用有限元模型，分析了離心力、陀螺效應(yīng)、軸承徑向剛度以及上述因素耦合對高速主軸動力學(xué)特性的影響 [14]。2016 年，劉世豪、張云順等對數(shù)控機床主軸優(yōu)化設(shè)計專家系統(tǒng)進行研究，構(gòu)造了主軸傳動方式優(yōu)選法，并驗證了機床主軸優(yōu)化設(shè)計專家系統(tǒng)的可行性 [15]。2017 年，蘭州理工大學(xué)的陳建文、胡世軍等對高速電主軸進行了靜動態(tài)分析，證明了兩種約束均適用于高速電主軸的模態(tài)分析 [16]。2018 年，沈陽建筑大學(xué)的王正浩，張杜鵑使用 Ansys Workbench 通過對 CJ190Z4 機床的主軸進行了動力學(xué)分析，得出主軸的固有頻率隨溫度的升高而降低 [17]。近年，廣東工業(yè)大學(xué)、湖南工業(yè)大學(xué)、大連理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)等高校在此基礎(chǔ)上，相繼對高速電主軸單元的動靜態(tài)特性進行了一定的研究，并就與其相配套的軸承分析理論進行了總結(jié)，完善了主軸系統(tǒng)的分析理論。針對高速與精密機床主軸的特性研究已經(jīng)逐漸成為主流，在接下來的一段時間內(nèi)必將成為研究熱點。1.3 機床主軸特性分析的概述機床主軸單元的動靜態(tài)特性主要包括主軸固有頻率、受力變形、臨界轉(zhuǎn)速和動態(tài)響應(yīng)。在過去很長一段時間里，其研究方法主要為解析法、近似理論解法、圖解法和數(shù)值解法，其中數(shù)值解法的應(yīng)用最為廣泛。隨著近幾年來計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,機床主軸單元的特性研究也進入了新的研究階段。古典結(jié)構(gòu)分析法、傳遞矩陣法、有限差分法、有限單元法和結(jié)構(gòu)修正法等計算機分析方法相繼問世。這其中，有限元法是較為常用的數(shù)值解法，它的核心思想是將問題的定義域分解為有限個子空間，將所需求解的函數(shù)在有限個點上進行近似插值；根據(jù)相關(guān)的數(shù)學(xué)物理分析，獲得每個子空間上有限個插值點的外界條件與待求函數(shù)值之間所滿足的方程組；通過直接法、加權(quán)余量法或變分法對該問題進行近似求解。1.4 總結(jié) 本課題依據(jù)成熟的建模和分析軟件，利用虛擬仿真技術(shù)得到機床產(chǎn)品主軸部件的性能數(shù)據(jù),利用優(yōu)化設(shè)計方法根據(jù)設(shè)計要求對原有設(shè)計進行必要的修改,可以實現(xiàn)產(chǎn)品的動態(tài)設(shè)計。不僅可以彌補原有設(shè)計方法的不足，而且還能降低產(chǎn)品的設(shè)計成本，能夠得到較為可靠的設(shè)計方案。參考文獻[1] Y Cao,Y Altintas.Modeling of spindle-bearing and machine tool systems for virtual simulation of milling operations[J].International Journal of MachineTools & Manufacture,2007,47(9):1342-1350. 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[7] 孟凡富,楊濤,劉桂芝,等.基 ANSYS 的 CKH1450 電主軸動態(tài)分析[J].機電工程,2007,24(3):25-27.[8] 張耀滿,王偉.數(shù)控車床主軸部件有限元分析及其驗證[D].沈陽:東北大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009.[9] 許梟.機床主軸靜動態(tài)性能研究及優(yōu)化設(shè)計[D].南寧: 廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012.[10] 梁雙翼,陳晨,尹輝俊.基于有限元方法的電主軸模態(tài)分析 [J].制造業(yè)自動化,2012,34(1):57- 60.[11] 馬巖,岳彩裙,郝思明.暗直榫歐式木窗專用數(shù)控機床主軸的有限元分析[J].西北林學(xué)院學(xué)報,2014,29(1):185-187+252.[12] 胡維東.GSLM3308 機床主軸箱靜/ 動/熱特性分析及拓撲優(yōu)化[D].南昌: 華東交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2014.[13] 趙大興 ,王婷,趙迪.基于 Workbench 的磨齒機主軸系統(tǒng)動態(tài)特性研究[J].機床與液壓,2014,42 (19):159-162.[14] 汪博,孫偉,聞邦椿.高轉(zhuǎn)速對電主軸系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響分析 [J].工程力學(xué),2015,32(6): 231-237.[15] 劉世豪,張云順,王宏睿.數(shù)控機床主軸優(yōu)化設(shè)計專家系統(tǒng)研究 [J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2016,47(4):372-381.[16] 陳建文,胡世軍,陳偉.高速電主軸有限元建模及靜動態(tài)特性分析 [J].機械電子,2017,35(7):27-35.[17] 王正浩,張杜鵑.基于 Ansys Workbench 的 CJ190Z4 機床主軸實驗?zāi)Ｐ偷膭恿W(xué)分析[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報,2018,34(1):141-149.畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的方法（途徑）：基于 ANSYS 的數(shù)控機床主軸的有限元分析所要研究的問題針對在機床主軸的特性分析中，絕大多數(shù)參數(shù)都是由經(jīng)驗公式確定的，為了得到確定的比較精確的參數(shù)，需要經(jīng)過大量的反復(fù)求解、驗算，這會在機床的設(shè)計中出現(xiàn)耗時長、效率低、成本高等問題。本課題擬采用計算機輔助設(shè)計與分析的方法來進行主軸部件的特性分析，可減少設(shè)計周期，提高設(shè)計效率。擬采用方法及思路根據(jù)所要研究的機床主軸的型號，通過查閱資料確定主軸的基本參數(shù)，利用ANSYS 軟件進行三維建模，并對其進行網(wǎng)格劃分，通過施加邊界載荷條件對主軸進行靜態(tài)分析和動態(tài)分析，并對其進行優(yōu)化設(shè)計。思路如下：主軸有限元分析主軸 3D 建模選單元類型，定材料參數(shù)網(wǎng)格劃分，生成有限元模型求解施加載荷、約束、邊界條件查看結(jié)果 繪制曲線或云圖修改主軸尺寸找出主軸結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)主軸設(shè)計是否合理得出結(jié)論YN