芻議ANSYS的機(jī)床主軸箱靜力
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論文導(dǎo)讀：討論了利用ANSYS對(duì)機(jī)床主軸箱進(jìn)行靜力分析。采用PROE建立主軸箱的實(shí)體模型，通過ANSYS 軟件提供的數(shù)據(jù)接口程序?qū)⑵鋵?dǎo)入ANSYS 中，計(jì)算出靜態(tài)應(yīng)力、應(yīng)力偏差和剛度，為動(dòng)態(tài)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：ANSYS，主軸箱，靜力分析
機(jī)床主軸箱是機(jī)床的關(guān)鍵部件，也是機(jī)床設(shè)計(jì)過程中工作量最大的部件。主軸箱是采用一根動(dòng)力軸帶動(dòng)多根主軸的工作方式，各傳動(dòng)軸必須在有限的標(biāo)準(zhǔn)箱體空間中找到適宜的分布位置并避免干涉，而各軸的設(shè)計(jì)又必須保證其轉(zhuǎn)速、旋向、強(qiáng)度和剛度，因此難度較大。用有限元法對(duì)主軸箱進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析，計(jì)算出箱體的應(yīng)力情況、固有頻率和振型，為主軸箱的動(dòng)態(tài)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
1 建立有限元模型
1.1 建立簡(jiǎn)化的實(shí)體模型
圖1 主軸箱的簡(jiǎn)化模型圖2 主軸箱有限元模型
1.2 定義單元類型材料屬性
主軸箱材料使用灰鑄鐵HT200 ， 其密度7340kg/m³；彈性模量1.3E11Pa；泊松比0.25；由于主軸箱結(jié)構(gòu)為空間不規(guī)則幾何體，故選用有中間節(jié)點(diǎn)的solid92四面體單元；在material models 中依次輸入密度、彈性模量和泊松比。
1.3 有限元網(wǎng)格的劃分
一般軸承座的圓柱面只有1/2 處承受載荷，所以在網(wǎng)格劃分之前要將受載面分割出來。在軸承座的中心線上建立工作平面（WP），使x 軸與中心線保持一致，旋轉(zhuǎn)y 軸到適當(dāng)位置，按命-divide-Area by WP，用y 軸分割該圓柱面。每個(gè)單元大小為20mm進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。論文參考網(wǎng)。節(jié)點(diǎn)數(shù)為11300個(gè)，單元數(shù)為9000個(gè)。箱體有限元模型如圖2所示。
2 施加約束載荷及求解
主軸箱在工作條件下，三角形導(dǎo)軌面在y，z方向運(yùn)動(dòng)均受到限制，故對(duì)導(dǎo)軌面進(jìn)行y，z方向零位移約束，即UZ=UY=0；又矩形導(dǎo)軌z方向運(yùn)動(dòng)受到限制，故對(duì)導(dǎo)軌面z方向進(jìn)行零位移約束，即UZ =0。論文參考網(wǎng)。由于載荷的特殊性，作如下處理：各個(gè)孔中心所受集中力等效成孔頸表面的均布?jí)毫�，Y，Z方向壓力覆蓋范圍均為90°，如圖3所示。論文參考網(wǎng)。PAZ=4.16MPa , PAY =3.12 MPa ;PBZ =3.46MPa, PBY =2.60 MPa
圖3 載荷及邊界條件施加
3 計(jì)算結(jié)果與分析
3.1誤差分析
選擇通用后處理模塊畫出單元應(yīng)力偏差分布圖如圖4，從單元應(yīng)力偏差分布圖可以看出，大部分的應(yīng)力偏差SDSG值在0～0.001MPa, 局部區(qū)域的單元應(yīng)力偏差值在4MPa左右，說明主軸箱的網(wǎng)格劃分密度良好，能保證計(jì)算結(jié)果的精度。由圖可以看出最高應(yīng)力偏差值為20.408 MPa，這是由于主軸箱與導(dǎo)軌接觸處存在尖角導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象。這種應(yīng)力集中是由于幾何構(gòu)造或載荷引起彈性理論計(jì)算應(yīng)力值較大，它不會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的分析。
圖4 單元應(yīng)力偏差分布圖
3.2應(yīng)力分析
圖5 主軸箱節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力分布圖
3.3剛度分析：
圖6為合位移場(chǎng)等值線分布圖，從結(jié)構(gòu)總變形USUM分布圖可以看出，主軸箱大部分的總變形值在0～0.004mm,最大值為0.009029mm，分別位于主軸箱孔施加載荷處和上箱蓋邊緣。主軸箱整體變形較小，能保證在最大承載條件下加工出高精度的產(chǎn)品。但整體來講，三個(gè)方向的剛度分布不太均勻，如果可能，可以改進(jìn)主軸箱結(jié)構(gòu)，以提高主軸箱剛度，確保加工產(chǎn)品的精度。
圖6 合位移場(chǎng)等值線分布圖
4 結(jié)論
（1）由于精確地將軸承座圓柱面的承載面分割出來，所以施加的載荷真實(shí)地反映了實(shí)際受載情況，主軸箱的網(wǎng)格劃分密度良好，保證了計(jì)算結(jié)果的精度。
�。�2）應(yīng)力分析和剛度分析結(jié)果表明，主軸箱體具有較高的抵抗破壞和變形的能力箱體的剛性較好。
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