大型龙门铣床主轴滑枕有限元分析.doc

1、摘 要随着计算机的普及和计算速度的提高，有限元分析已越来越广泛地应用到工程分析计算问题，其分析手段已成为现代机械设备CAE分析的主流方法，也是解决我国机械产品设计分析水平落后的关键手段之一。主轴滑枕是机床中一种必不可少的通用零部件，亦是影响机床工作性能的薄弱环节。本论文的主要目的就是针对机床主轴关键部件滑枕进行相关分析。采用Ansys命令流方式建立高速数控机床主轴滑枕实体分析模型（其中加强筋厚度给出了三种，分别为15mm，20mm，25mm），并对他们在滑动轴承支撑、高速旋转条件下动力学行为进行有限元分析，求解出系统模态频率、模态振型、瞬态动力响应和周期激励下谐响应谱，在分析的基础上进行比较，

2、确定系统的薄弱环节，对大型龙门铣床主轴滑枕的结构变形规律，给出了定性分析结论，选择出了三种加强筋厚度中最优的一种，同时，在分析的基础上提出了一些改进措施，为工作中进行机械系统结构CAE分析打下良好的基础，为滑枕结构优化设计提供理论依据和指导。关键词：CAE；主轴滑枕；有限元分析；变形分析；改进措施AbstractWith the development of computers and the speed of calculation, finite element analysis has become increasingly widely in the calculation of en

3、gineering analysis, of which analysis methods has become the mainstream of CAE analysis methods, and the analytical tools has become one of the key method to solve the problem of the level of product design behind about our country mechanical analysis. Spindle ram is the necessary and general compon

4、ents of machine tools, which is also the weak link with frequent failures.The main purpose of this paper is to analysis the spindle - ram which is the key components for machine tool. Ansys command is used to create high-speed flow axis CNC machine tool ram model entities, and do the finite element

5、analysis under the conditions of the sliding bearing support and the high-speed rotary dynamic behavior.Their kinetic analysis, a system for solving modal frequencies, modal vibration mode, the transient dynamic response and the cycle of harmonic excitation response spectrum. In based of the analysi

6、s to make sure the weak links in the system,and find out the large gantry milling machine spindle ram deformation of the structure for giving the conclusions of the qualitative analysis, which carry out the work of CAE analysis of the structure of mechanical systems and lay a good foundation for the

7、 structural optimization ram designed to provide the theoretical basis and guidance.Keywords: CAE；Spindle ram；Finite element analysis；Deformation analysis；Improvement measures目 录1 绪论.11.1 有限元分析的发展现状11.2 有限元分析的发展趋势22 有限元分析理论及ANSYS软件的介绍.52.1 有限元分析理论52.2 ANSYS软件的介绍73 模型及系统分析103.1 模型描述113.2 主轴滑枕静力分析123.

8、2.1加强筋厚度为15mm时主轴滑枕静力分析133.2.2加强筋厚度为20mm时主轴滑枕静力分析143.2.3加强筋厚度为25mm时主轴滑枕静力分析153.2.4结论 .153.3 主轴滑枕动力学分析163.3.1主轴滑枕模态频率163.3.2主轴滑枕模态振型183.3.3主轴滑枕瞬态动力学分析213.3.4主轴滑枕周期激励下谐响应244 总结29谢 辞.30参考文献.311 绪论有限元方法的计算思想早在 20 世纪 40 年代就提出了。1943 年 Courant 在一篇论文中就提出用一组三角形单元和最小位能原理研究了 St.Venant 的扭转问题。但真正用以解决工程中的数值计算问题是在上

9、世纪 50 年代电子计算机出现以后，1956 年Truner、 Clough、 Martin、 和 Topp 发表了在结构力学采用有限元方法的第一篇论文，但当时还没有“有限元方法”这个名称。“有限元方法” （Finite Element Method）这个名称，是 1960 年 Clough在一篇结构分析的计算论文中首次明确提出的。在我国，上世纪 60 年代初期冯康等人独立地建立了有限元方法的数学理论并应用于工程实际问题。自从那时候起，不论国际还是国内，随着高速电子电子计算机的日益广泛的应用，有限元方法得到广泛的发展。近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中

10、得到了越来越广泛的重视， 已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径。从“有限元”这个名词第一次出现，到今天有限元在工程上得到广泛应用，经历了三十多年的发展历史，理论和算法都已经日趋完善。有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则或不规则的单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。1.1 有限元分析的发展现状随着有限元方法研究的深入，过去不能解决或能解决但求解精度不高的问题，都得到了新的解决方案。传统的有限元方法假设：分析域是无限的；材

11、料是同质的，甚至在大部分的分析中认为材料是各向同性的；对边界条件简化处理。但实际问题往往是分析域有限、材料各向异性或边界条件难以确定等。 为解决这类问题， 美国的 Heofanis St Rouboulis、Lin Zhang 等人提出用 GFEM(Generalized Finite Element Method) 解决分析域内含有大量孔洞特征的问题；比利时的 Nguyen Dang Hung 和越南的 Tran Thanh Ngoc提出用 HSM(the Hybrid metis Singular element of Membrane plate) 解决实际开裂问题(结构尺寸有限，形状任

12、意，边界条件复杂，材料特性任意)。传统的有限元断裂力学技术(the nite element fracture mechanics techniques)在解决零件中出现裂缝这类问题时，需要在曲线型裂纹前缘附近的区域细分网格。这样无论是从网格生成的角度看还是从求解的角度看，都需要花费大量的时间。而且在循环加载的情况下产生的次裂纹将会使分析变得更加复杂。为此，美国的 Daniel SPipkinsay、Satya N Atlurib 提出了 FEAM(Finite Element Alternating Method) 。该方法在求解应力集中因子时，可在不牺牲精度的情况下节省时间，用它分析具有椭

13、圆裂纹或部分椭圆裂纹的结构是很有用的。此外，西班牙的 Onate E 和波兰的 Rojek J 将 DEM(Discrete Element Method) 和有限元方法结合解决地质力学中的动态分析问题；瑞典的 Birgersson F 和英国的 Finnveden S 针对有限元方法在频域中的应用提出了 SFEM(Spectral Finite Element Method)。在有限元方法应用领域不断扩展、求解精度不断提高的同时，有限元方法也从分析比较向优化设计方向发展。印度 Mahanty 博士用 ANSYS 对拖拉机前桥进行优化设计，结果不但降低了约 40% 的前桥自重，还避免了在制造过

14、程中的大量焊接工艺，降低了生产成本。有限元方法在国内的应用也十分广泛。20 世纪 80 年代我国大连理工大学工程力学研究所开发成功了国内第一个通用有限元程序系统 JIGFEX，并在 1983 年开发出了它的微机版 JIG2FEX-W。目前有限元方法已渗透到工程分析的各个领域，从大型的三峡工程到微米级器件都采用有限元进行分析。它在我国经济发展中拥有广阔的发展前景。1.2 有限元分析的发展趋势近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视， 已经成为解决复杂的工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计

15、算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源、科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面： 增加产品和工程的可靠性 在产品的设计阶段发现潜在的问题 经过分析计算，采用优化设计方案，降低原材料成本 缩短产品投向市场的时间 模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费国际上早在上世纪 60 年代初就开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序，但真正的 CAE 软件是诞生于上世纪 70 年代初期，而近 15 年则是 CAE 软件商品化的发展阶段，CAE 开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，在大力推销其软件产品的同时，对软件的功能、性能，用户界面和前、后处理能力，都进行了大幅度的改进与扩充。这就使得目前市场上知名的 CAE 软件，在功能、性能、易用性、可靠性以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求，从而帮助用户解决了成千上万个工程实际问题，同时也为科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的贡献。目前流行的 CAE 分析软件主要有 N