车床主轴箱体有限元分析和加工工艺设计毕业设计(编辑修改稿)

车床主轴箱体有限元分析和加工工艺设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

(1) 式中 M总质量阵，δ 整个弹性节点位移矢量， C总阻尼阵， K总钢阵， F总外加激振力矩阵。 对于自由振动，没有外加激振力，无阻尼，式 (1)变为： 0  KM  (2) 计算经验表明，阻尼对结构频率和振型影响不大，因此，常用无阻尼自由振动方程式 (2)来 求解结构的固有频率和相应的振型。 由于弹性体的自由振动总可以分解为一系 列简谐振动的叠加，为了求解结构自由 8 振动的固有频率及相应的振型，考虑如下简谐振动的解，即假设 jwtqe (3) 式中： q节点位移的振幅矩阵，它与时间无关； w 固有频率； t时间。 将式 （ 3）对时间求一阶、二阶导数，得：   jwtqejw (4)   jw tjw t qewqejw 22  (5) 将（ 3）式和（ 5）式代入（ 2）式中得：   02  jw tjw t K q eqewM (6) 即 :  02  qMwK (7) 需要寻 求式 (7)所示的弹性结构的节点振幅列阵 q和 ω ，就转化为找寻数量为ω178。 和相对应的非零向量 q满足式 (7)。 这样的问题称之为广义特征值问题，而这样的 ω178。 和 q分别称为广义特征值和广义特征向量。 显然，如此求得的 w就是结构的固有频率，而留就给出了相应的振型。 记λ =ω178。 ，将（ 7） 式改写为   0 qMK  (8) 由于 q是非零向量，上式 有解的条件是矩阵 Kλ M的行列式应为零，即   0d e t221122222221211112121111nnnnnnnnnnnnmkmkmkmkmkmkmkmkmkMK (9) 上式数学上称为广义特征方程，式中 n为矩阵 K或 M的阶数。 如果将式 (9)展开，则得λ的 n次代数方程，由此可解出 n个广义特征值。 对于有支撑约束的结构，对 K和 M进行边界条件处理之后，总刚阵是对称正定矩阵，则由式 (9)解出的广义特征值λ一定是正实数，从而可以算出弹性结构的 n个固有频率：  nii ,2,1   (10) 对于没有支撑而处于自由状态的结构， K和 M不进行边界条件处理，总刚阵是对称半正定矩阵，由式 (8)算出的一部分广义特征值为零，没有实际意义。 模态分析的基本步骤 9 （ 1）模型的建立 建模过程和其它类型的分析类似，但在模态分析中只有线性行为是有效的。 如果指定了非线性单元将作为线性的来看待。 材料的性质可以是线性的或非 线性的、各向同性的或各项异性的、恒定的或和温度相关的。 在车床的 主轴箱结构优化研究模态分析中必须指定弹性模量 EX和密度 DENS，而且非线性特性将被忽略。 （ 2）加载并求解 进入 ANSYS求解器，指定分析类型和分析选项，定义主自由度，在模型上加载，指定载荷步选项，开始求解计算，退出 SOLUTION。 （ 3）模态扩展 求解器的输出内容主要是固有频率，固有频率被写到输出文件 Jobname． OUT及振型文件 Jobname． MODE中。 具体方法是：再次进入 ANSYS求解器，激活扩展处理及相关选项，指定载荷步选项，开始扩展处理，退出 SOLUTION。 （ 4）观察结果 模态分析的结果被写入结构分析结果文件 Jobname． RST中。 分析结果包括：固有频率、已扩展的振型、相对应力和位移分布。 可以在 POSTl中观察模态分析结果。 观察结果数据的过程是 t读入合适子步的结果数据，执行后处理操作。 C6150 主轴箱结构有限元模态分析 建立模型 （ 1） 运用 solidworks 建立主轴箱体三维立体图 主轴箱体的三视图如下图所示： 10 图 3 主轴箱体三视图 运用 solidworks建立三维立体图的步骤是： 1）画出草图，拉伸出主轴箱实体 2）以主轴箱实体上表面为基准面画草图，拉伸切除得到主轴箱壳体 3）以壳体内底面为基准画草图，拉伸得到箱体内支撑板 4）以箱体各侧面为基准面画草图，拉伸切除得到 各侧面主轴孔 5）画出底座两个螺纹孔并对主轴箱体倒角 最后得到的主轴箱三维立体图如下图 图 4 主轴箱三维立体图 11 （ 2） 将 solidworks图形导入 ANSYS中 1） 先在 solidworks中建立模型，检查无误后将当前模型另存为 *.x_t格式，即保存类型选择 Parasolid(*.x_t)。 2） 把 ANSYS工作目录设置成刚才保存 *.x_t文件的文件夹。 3） 运行 ANSYS， File→ Import→ PARA...→左侧框中就会看到刚才生成的 *.x_t文件，选中 OK导入完成。 4） 现在看到的模型 是 线框， PlotCtrls→ Style→ Solid Model Facets→下拉框中选择 Normal Faceting→ OK, 鼠标右键 选择 Replot重生，即可看到实体了。 如下图所示 图 5 主轴箱实体图 定义单元属性 在生成节点和单元网格进行网格划分之前，必须定义合适的单元属性。 需要定义的属性有： (1)定义单元类型 ANSYS提供了 200多种不同的单元类型，以适用于各种工程的分析。 每个单元类型有一个特定的编号和一个标识单元类别的前缀，如 SOLID45， PLANE77等。 单元类型决定了单元的自由度数和单元位于二维空间还是三维空间。 针对不同的结构模型，需要选择不同的单元类型， ANSYS的单元类型有：实体单元、梁／管单元、壳／膜弹元、杆／索单元、弹簧单元、接触单元、表面效应单元、质量单元、超单元等。 对于三维问题，最常用的是实体单元。 有限元中，三维实体单元有两种：六面体单元和四面体单元。 由于主轴箱结构为空间不规则几何体，故选用SOLIDl86单元。 12 (2)定义材料特性 ANSYS中的所有分析都需要输入材料属性。 根据应用的不同，材料特性可以是：线性或非线性，各向同性、正交异性或非弹 性，不随温度变化或随温度变化。 如单示类型一样，每一组材料特性有一个参考号。 在一个分析中可能有多个材料特性， ANSYS通过参考号来识别每个材料特性。 本课题中的 主轴箱设计所使用的材料是灰铁 HT200，其参数如下： 弹性模量： E=1． 3e11 N／ m2。 泊松比： U=0． 3。 密度： P=7210 kg／ m3。 (3)单位的选择 对于 ANSYS中的单位问题，除了磁场分析外，可使用任意一种单位制，只要保证输入的所有数据都是使用同一单位制里的单位就行。 如长度单位是米，输入的压强单位不能是 N／ mm2。 具体步骤是： (1)定义单元类型， GUI Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteAddSolid20node 186； (2)定义材料属性， GUI Main Menu PreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructuralLinearElasticIsotropic,在 EX里输入 ，在 PRXY里输入 ，再选择 StructuralDensity,在 DENS里输入 ， 点击 OK。 划分网格 ANSYS提供了智能划分网格功能，它考虑几何图形的曲率以及线与线的接近程度自动进行网格划分，它较适合于复杂结构的自由网格划分，有 l—10的精度等级，默认等级为 6级。 主轴箱结构较为复杂，可采用智能网格划分， 6级精度SOLIDl86单元。 具体步骤是： GUI Main MenuPreprocessorMeshingMesh Tool,选中 Smart Size，将数值设为 6，点击 Mesh，选择 Pick all，进行智能划分。 划分后的结果如下图 13 图 6 主轴箱网格划分图 至此 ， 主轴箱结构的有限元模型已经建立起来，接下来就可以利用此有限元模型进行主轴箱结构的动态分析和结构优化。 设置分析类型和选项 (1)Analysis Type Modal，指定分析类型为模态分析。 (2)Mode Extraction Method：选择模态提取方法为 Block Lanczosmethod(默认 )兰索斯法。 (3)Number of Modes to Extract：机床结构是个连续体，质量和弹性都是连续分布的，所以应具有无穷多个自由度，也就是无穷多阶模态。 但是该机床的设计最高 工作转速为 1400 r／ min， 根据 主轴转速 fn 60 ，可得主轴最高频率约为 ,又由于主轴上齿轮齿数为 28，所以主轴的最高激励频率为 ,因此 当箱体的固有频率大于 ，一般不可能发生共振，对于加工质量的影响不大，所以只需研究 固有频率较小的模态，即 机床的低阶模态。 设置提取模态阶数为 15阶。 施加边界条件并求解 14 图 7 复合面导轨 首先， C6150主轴箱体与底座的固定采用的是复合面导轨，如上图所示，左侧 V形面和底面 V形导轨啮合，限 制了 V形面即箱体的移动，底面 V形导轨下侧装有螺栓，使主轴箱体与底座固定。 在典型的模态分析中唯一有效的“载荷”是零位移约束，如果在某个 DOF处指定了一个非零位移约束，则以零位移约束替代 DOF处的设置。 可以施加除位移约束之外的其他载荷，但它们将被忽略。 主轴箱是通过 复合面导轨 固定在底座上，再由箱体底面的螺栓来实现对主轴箱体的固定，在有限元模型中，把主轴箱的边界约束简化为约束与固定螺栓位置相对应的节点的各方向的自由度，由于主轴箱与底座相固定，通过复合面导轨与底座相接触， 并以螺栓固定以 实现全约束。 具体步骤是： GUI MainMenuSolutionDefineLoadsApplystructuraldisplacementOn Areas,选择箱体底面两个螺栓的内表面，选择 DOF全约束，点击 OK。 然后依次点击 GUI Main Menu Solution SolveCurrent LS开始求解。 查看结果 模态分析结果一般在通用后处理器 (POSTl)中查看： (1)列出各阶固有频率 GUI． Main MenuGeneral PostprocResults Summary。 (2)显 示模态振型 GUI． Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shapes。 (3)显示节点位移或单元应力分布 GUI： Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour Plot——NodalSolu／ Element Solu。 15 模态计算结果 主轴箱结构前十五阶固有频率、振幅及振型描述 （ 1） 各阶固有频率如下表 表 1 各阶固有频率表 阶次 固有频率 /Hz 振型描述 1 沿 Y轴方向 摆动，左侧面连接部分振型明显 2 沿 Z轴方向摆动，左侧面连接部分振型明显 3 沿 X轴方向摆动，右侧面连接部分和底面凸台处振型明显 4 内支撑板沿 Y方向左右摆动，两支撑板顶部振型明显 5 箱体扭转，左侧面连接部分振型明显 6 内支撑板沿 X方向左右摆动，两支撑板顶部振型明显 7 沿 Y方向弯曲，后侧面中段振型明显 8 沿 Y方向弯曲，后侧面中段振型明显 9 沿 Y方向弯曲，前侧面中段振型明显 10 箱体扭转，左侧面和后侧面中段振型明显 11 内支撑板沿 Y方向左右摆动，支撑板顶部振型明显 12 沿 X方向弯曲，左侧面和前侧面中段振型明显 13 箱体扭转，后侧面中段振型明显 14 内支撑板沿 Y方向左右摆动，支撑板顶部振型明显 15 内支撑板沿 Y方向左右摆动，支撑板顶部振型明显 （ 2） 各阶振型如下图 1阶振型 2阶振型 16 3阶振型。