基于ANSYS軟件的機床主軸箱設(shè)計分析

朵慶躍　劉玉梅

摘 要：主軸箱是機床的關(guān)鍵部件之一。 主軸箱的動態(tài)特性，直接影響整機加工效果。充分利用有限元分析軟件ANSYS，在主軸箱動態(tài)設(shè)計優(yōu)化方面已經(jīng)發(fā)揮了重要作用。本文主要從ANSYS軟件和有限元的設(shè)計簡介入手，對ANSYS優(yōu)化設(shè)計和有限元建模設(shè)計提出了具體的設(shè)計方法。該方法的采用，為復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，提供了一種新解決辦法。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化 ANSYS軟件 主軸箱

中圖分類號：TG52 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（c）-0021-01

在機床零件中，主軸箱設(shè)計是機床設(shè)計過程中，工作量比較大部件。采用限元分析等現(xiàn)代結(jié)構(gòu)法，已受到專業(yè)工程設(shè)計人員的采用，并且出現(xiàn)了顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益，肯定了它在機床主軸箱優(yōu)化設(shè)計中積極的作用。

1 ANSYS軟件和有限元設(shè)計簡介

ANSYS有限元軟件包，采用了多用途的有限元法程序設(shè)計。在求解流體、結(jié)構(gòu)、電磁場、電力的問題問題上，具有重要作用。在航天航空、汽車生產(chǎn)工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)治療、橋梁建造，以及電子產(chǎn)品、機械重型、微機電等等方面都大顯身手。并且從力學(xué)計算，以及組合分析方面，使用了全面解決方案。因此，工程師擁有了功能強大而且方便易用的分析設(shè)計方法。有限單元法，主要利用力學(xué)模型，采用近似的數(shù)值方法，把被分析的對象直接離散化，使得最小位能原理和虛位移原理，得到了基本理論求解方法。有限單元法的基本思想，把連續(xù)的求解域，拆分為有限數(shù)量，在按一定方式下組織起來，形成單元的組合體。有限單元法另一個特點，是利用單元內(nèi)假設(shè)近似函數(shù)，實現(xiàn)全求解域分解，得到待求未知場函數(shù)。這個過程中，單元內(nèi)的近似函數(shù)，主要由未知場函數(shù)各個節(jié)點的數(shù)值，以及位置函數(shù)的插值函表示。由于單元組合方式不同，單元本身又有不同形狀。所以可以用模型化，得到了最終的復(fù)雜求解域。

2 ANSYS 優(yōu)化設(shè)計

ANSYS中因為采用參數(shù)化語言，即APDL語言，在ANSYS 的優(yōu)化下，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計模塊就可以實現(xiàn)了。典型的 ANSYS優(yōu)化設(shè)計中，有以下幾個步驟：首先，定義設(shè)計變量以及狀態(tài)變量。選擇優(yōu)化工具和方法。其次，模塊進行優(yōu)化分析，查看設(shè)計序列結(jié)果。再次，建立參數(shù)化有限元模型，并且加載并求解。最后，提取并指定狀態(tài)，在變量和目標函基礎(chǔ)上，對文件進行分析。ANSYS優(yōu)化模塊中，主要有兩種優(yōu)化方法。首先，是通用的逼近優(yōu)化法，本質(zhì)是使用了最小二乘法逼近。求取函數(shù)面來實現(xiàn)擬合解空間。接著對該函數(shù)面求極值。這種方法是普遍優(yōu)化法，采用這種方法，局部極值點不容易陷入。但是這種方法的弊端是在優(yōu)化的精度上，不能實現(xiàn)高精度預(yù)測，在促優(yōu)化階段更加能夠顯示效果。所以被稱作做梯度尋優(yōu)。局部細化的精優(yōu)化采用比較多。

3 主軸箱有限元建模設(shè)計

3.1 主軸箱模型處理與簡化假設(shè)

以主軸箱和墊板結(jié)合面，在主軸箱模型設(shè)計中是我們主要研究對象，主要探討床身導(dǎo)軌與主軸箱幾何界面特征的描述。在建立分析模型，以及控制ANSYS程序分析方面，有限元單元劃分數(shù)目，是建立有限元模型關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在數(shù)量關(guān)系和解題精度方面，主要是和計算的速度、算費用相關(guān)。事實上，并非單元數(shù)目越大，精度實現(xiàn)就越高，特別是在動態(tài)計算方面。零件上的小孔、倒角諸多細小的特征，對其動態(tài)特性影響不是很大。這就導(dǎo)致有限元建模時，主軸箱和墊板小特征被忽視。但是，由于箱蓋在主軸箱的強度方面影響很大，這就要求我們在建模時，把箱蓋和箱體一起研究。箱體總體尺寸一般為為235 mm×425 mm×295 mm，材料為HT200，彈性模是1.2E11，泊松比為0.25。建立模型后，選用與其結(jié)構(gòu)類似的10節(jié)點SOLID92塊單元，細化水平主要為4，進行智能網(wǎng)格劃分。分出20352個節(jié)點，和10030個單元得到的有限元模型。

3.2 主軸箱三維模型圖

3.2.1 主軸箱建模

由于零件模型的復(fù)雜性，傳遞產(chǎn)生AN-SYS模型將無法生成難題。所以，需對主軸箱模型加強適當(dāng)簡化，基本原則主要有以下幾點，首先在在建模時后，要力求精確，可以反映結(jié)構(gòu)靜動。其次，模型中所有小特征都不可以忽略。不可忽略的細節(jié)有倒角、小孔及、圓角等。最后，對模型小錐度，小曲率曲面在直線化處理方面要考慮周到。最后，整體靜、動態(tài)特性影響小不需要考慮。的主軸箱結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示，其彈性模量E=2.06E5 MPa，泊松比μ=0.25，材料屬性為HT250，密度ρ=7.8E-6 kg/mm2孔B受力：Py=450 kg，y=300 kg，PZ=400 kg?？譇受力：Py=450 kg，PZ=600 kg。主軸箱在矩形導(dǎo)上，連同三角形導(dǎo)軌需要向上滑移。

零件在建立模型時，第一步是將零件特征尋找出來。對于這些特征的尺寸進行確定。包含的內(nèi)容有形狀特征和精度特征，以及材料特征。零件形狀特征，是零件建模的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要有設(shè)計者輸入的參數(shù)，和零件從特征參考的數(shù)值兩種不同模型。設(shè)計者往往根據(jù)零件的設(shè)計，對零件的裝配決定通過人際界面的參數(shù)輸入。但是，零件模型繼承特征，不是設(shè)計者主要輸入項目。上級特征確定以后，特征定位點和定位方向，對下級特征所要繼承上級特征起到了決定作用。

3.2.2 網(wǎng)格設(shè)計

由于主軸箱結(jié)構(gòu)是幾何體不規(guī)則體，網(wǎng)格的設(shè)計使用中有中間節(jié)點的solid186單元，在細化水平上為3自由型網(wǎng)格劃分。一共有節(jié)點數(shù)23863個，單元數(shù)11712個。

3.2.3 邊界條件和載荷

在工作條件下，主軸箱導(dǎo)軌面在y、z方向，均受到運動限制。這就導(dǎo)致導(dǎo)軌面產(chǎn)生y、z方位移制約。再次因為計算出到孔頸面模型上，PA=3.4 MPa，B孔PB=2.9 MPa。

分析了數(shù)控機床主軸箱，在結(jié)構(gòu)、材料特點和承載情況，對主軸箱的三維實體模型，并且對主軸箱靜態(tài)分析之后。主軸箱箱體部分區(qū)域在安全系數(shù)呈現(xiàn)較高的安全系數(shù)。滿足危險工況下，零件的加工的要求能保證數(shù)控銑床不安全條件下，足夠的零件加工精度實現(xiàn)。另外，主軸箱的動態(tài)性比較好，但是在結(jié)構(gòu)方面，剛度有不均的現(xiàn)象存在。同時，對ANSYS優(yōu)化設(shè)計和有限元建模設(shè)計，為銑床主軸箱的設(shè)計開辟了理論基礎(chǔ)，加快計算精度，設(shè)計周期大大縮短了。

參考文獻

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