高性能數控機床主軸部件動態分析-資料下載頁

　　

【正文】 高于某個給定頻率的振型)，還可以很好地處理剛體振型，但需要較高的內存。一般都選用此方法，我們也用此方法。子空間法比較適合于提取中型到大型模型的較少的振型(40)。在用于實體單元和殼單元時，應當具有較好的單元形狀；在具有剛體振型時可能會出現收斂問題；需要相對較少的內存。建議在具有約束方程時不要用此方法。PCG Lanczos法適用于提取很大的模型(10000個自由度以上)的較少振型(20)，這種方法明顯比Block Lanczo法或者子空間法快，但是單元形狀不好或出現病態矩陣時，用這種方法可能不收斂；需要很大的內存。建議只將該方法作為針對大模型的一種備用方法。另外需要注意的是，該方法的子空間技術使用Power求解器和一直質量矩陣，而且也不執行Sturm序列檢查(對于遺漏模態)，對多個重復頻率的模型可能會有影響。當對一個包含剛體模態的模型進行分析時，則必須執行RIGID命令(或者在分析設置對話框中指定RIGID設置)。縮減法適用于模型中的集中質量不會引起局部振動的情況，如梁、桿單元等，它是所有方法中最快的，而且需要較少的內存和硬盤空間。其原理是通過一組主自由度來減小[K]和[M]的大小，縮減的剛度矩陣[K]是精確的，但縮減的質量矩陣[M]是近似的，近似程度取決于主自由度的數目和位置。在結構抵抗彎曲能力較弱時不推薦使用此方法，如細長的梁和薄殼。不對稱法適用于聲學問題(具有結構耦合作用)和其他類似的具有不對稱質量矩陣[M]和剛度矩陣[K]的問題。這種不對稱性往往會使得結構的模態均是復模態，即特征值和特征向量均是復數，此時實數部分就是自然頻率，虛數部分表示解的穩定性，負值表示穩定，正值表示不穩定。需要注意的是，不對稱法采用Lanczos算法，不執行Sturm序列檢查，所以會遺漏高端頻率。在模態分析中一般忽略阻尼，但是如果阻尼的效果比較明顯，就要使用阻尼法，該方法主要用于回轉體動力學中。在ANSYS的BEAM4和PIPE16單元中，可以通過定義實常數中的SPIN(旋轉速度，弧度/秒)選項來說明陀螺效應。該方法同樣會引起結構的復模態特性，也存在遺漏高端頻率的問題，不同節點的響應可能存在相位差，而響應幅值則等于實部與虛部的矢量和。QR阻尼法適合于分析大阻尼系統，阻尼可以是任意阻尼類型，其計算精度取決于提取的模態數量，所以建議提取足夠多的基頻模態，但是該方法不建議用于臨界阻尼或過阻尼系統。需要注意的是，該方法輸出的復特征值(虛部為頻率)和實特征向量。[16]用ANSYS Workbench進行模態分析。首先雙擊Modal，建立新的模態分析系統，然后在Geometry上點擊右鍵選擇導入模型，從而導入主軸部件igs文件，然后就雙擊Modal進入分析界面。進入界面后的求解順序一般為：材料設定、網格劃分、添加約束、運行求解與查看結果。添加約束，首先對沉頭孔添加約束無摩擦約束，點擊Modal(A5）,然后按住Ctrl鍵依次選中6個沉頭孔平面，然后右鍵選中Insert和Frictionless Support，添加無摩擦約束完畢。然后添加固定約束，同樣的選中6個沉頭孔螺栓面，添加Fixed Support，這樣固定約束添加完畢。然后就是設定求解，設定模態分析階數為10，然后點擊Solve求解主軸部件前10階模態分析。 (a)第一階振型 (b)第二階振型 (c)第三階振型(d)第四階振型 主軸部件振型圖從振型圖可以看出，在第一階時主軸部件發生整體彎曲變形，在主軸箱軸孔頂部發生的變形最嚴重。第二階時彎曲變形加重，有稍微的扭轉變形。第三階時扭轉變形加劇，在右壁處產生嚴重變形，此時扭轉變形也是在左右壁出產生的。第四階時在箱體頂部和軸端部發生很大變形。可見主軸部件在低階時主要是彎曲變形和扭轉變形，其中彎曲比較嚴重，而左右壁的剛度影響著主軸的抗扭強度，同時在主軸部件頂部和主軸端部變形最嚴重。通過模態分析得到主軸部件的固有頻率和振型圖，為進一步分析主軸部件的動態特性奠定了基礎，同時為進一步改進主軸部件提供了科學依據。 主軸部件理論固有頻率得到主軸部件的固有頻率和振型后，可進一步對主軸部件進行諧響應分析。諧響應分析是用于確定一個線性結構在已知頻率的簡諧載荷作用下的結構穩態響應的技術。該技術只計算結構的穩態受迫振動，不考慮結構在激勵開始時的瞬態振動。該分析使設計人員能預測結構的持續動力特性，從而能夠驗證其設計是否能夠克服疲勞共振及其其他受迫振動引起的有害影響。[16]諧響應分析可用于旋轉設備的支座、固定裝置和部件。比如發動機等。數控機床主軸部件在加工過程中可以認為受到簡諧激振力。用諧響應分析可以更進一步分析主軸部件的動態特性。6 全文總結現在數控機床正朝著高效高速化、高精度、可重構方向發展，并已成為當前數控機床發展的基本趨勢。高速化、高精度已成為當今機床發展的方向，而主軸部件是數控機床結構最復雜的部件，其動態特性的好壞對機床的性能有著重要的影響。因此，對主軸部件進行動態特性分析十分必要。本文作者催主軸部件的動態分析進行了一定的研究，完成的主要工作有：①查閱相關資料，了解數控機床主軸技術、模態分析原理和有限元方法的原理。同時重點是學習如何用有限元方法來實現模態分析的計算。為此學習了ANSYS Workbench軟件。②根據資料上得CHK32機床主軸箱二維圖紙，用UG畫出主軸箱三維模型，然后用ANSYS Workbench建立主軸箱有限元模型，然后進行模態分析，獲得了主軸箱的固有頻率和振型，并通過對振型圖的分析對主軸箱進行了改進，提出了一定的改進方案。③同樣對主軸進行模態分析，得到主軸固有頻率和振型圖，然后做了一定的分析。④在UG中將主軸箱、主軸和軸承裝配起來，成為主軸部件，然后導入ANSYS Workbench軟件中，畫網格，得到有限元模型，然后進行模態分析，得到主軸部件的固有頻率和振型圖，并對振型圖進行分析，為諧響應分析等奠定了基礎。本文對高性能數控機床主軸部件動態特性進行了一定的研究分析，發現主軸部件仍有進行更深一步研究的必要以及仍存在需要改進的地方。①數控機床在加工過程中，會發生振動等，這時機床發生自激振動。②主軸部件還包括密封圈、密封盤、卡盤。軸套等等的一些附屬零件。這些零件的強度、剛度以及結構等都會對數控機床的加工質量帶來影響。③主軸部件中軸承類型以及主軸受力形式、大小等對機床都有影響，同時溫度等等也存在影響。以上幾點可以成為改進和研究的方向。致謝當自己從保研、畢業論文的壓力下解脫出來，大出一口氣的時候，我突然發現我四年的大學生涯就要結束了，到了告別的時候了。一想到這就覺得時間飛逝，有點惆悵，有點失落，又有點期待。在此畢業論文完成之際，首先由衷的感謝我的論文指導老師周偉老師，從論文準備工作到時間安排，從開題報告到論文批改，都有老師大量汗水。在這篇論文的寫作過程中，我曾遇到一些困難，周老師給予了我很大的幫助，同時周老師一絲不茍的負責精神使我感受頗多。請允許我向周老師表示真摯的謝意。同時我要感謝那些老師們。四年，大學四年是我人生中非常重要的四年，我有幸能夠接觸到那些傳授我知識、學問的老師們。他們傳授我專業知識，幫助我打開機械的大門，同時又給予我耐心的、具體的指導。而且他們從更高的層次指導我的人生與價值追求，他們使我堅定了人生的方向，或得了追求自我價值的動力，給我留下了美好的大學回憶。在此，我再一次真誠地向我尊敬的老師們和母校表達我深深的謝意。向我的父母和家人表示誠摯的謝意。他們是我生命中永遠的依靠和支持，他們無微不至的關懷，是我前進的動力，他們的殷切希望，是我奮斗的源泉。沒有他們就沒有我，我的一切都來自于他們。在這里，我祝福我的父母身體健康。養育之恩，無以回報，你們永遠健康快樂是我最大的心愿。最后感謝和我共度大學四年美好生活的機械學院2007級機自05班的同學們。感謝我的那些朋友們。 付國強 2011年5月 于重慶大學參考文獻[1] 郭策, 孫慶鴻, 蔣書運,等. 高速高精密數控車床主軸系統的熱特性分析[J]. 制造技術與機床, 2003（3）：3739.[2] 崔勇俊. 機床主軸的動剛性評估[J]. 大連大學學報, 2003,24（2）：1215.[3] 蔡英, 黃國慶, 劉建清,等. 機床高速主軸系統的動力學特性[J]. 江南大學學報, 2003,2（3）：287292.[4] and Geiger. G. Analysis of the Static and Dynamic Behavior of Lathe Spindles [J], . Tool ,1994,193209.[5] Reddy, V R. and Sharan. . The finiteElement Modeled design of Lathe Spindle: The static and Dynamic Analysis [J]. ASMI: Journal of vibrations, Acoustics, Stress and Reliability in design。 Vol. l D9. 1987[6] Bert R Sorgensen, Yung C Shin. Dynamics of SgxnlleBearing Systems at High Speeds Including Cutting Load Effects[J]. Transactions o, the ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, 1998, 10: 387399[7] 龍振宇. 機械設計[M]. 北京:機械工業出版社，：282299[8] .谷東偉. 數控機床主軸系統動態特性分析[D]. 吉林，長春理工大學,，2009[9] 張良. 高性能數控機床主軸部件動態分析與實驗[D]. 重慶:重慶大學，2007.[10] 盛和太, 喻海良, 范訓益,等. ANSYS有限元原理與工程應用實例大全[M]. 北京:清華大學出版社, ：47[11] 張大可, 程洪, 陳世教,等. 現代機械設計理論及方法[M]. 重慶:重慶大學出版社, ：170177[12] 趙海峰, 蔣迪. ANSYS [M]. 北京:中國鐵道出版社, ：12[13] 張學良. 機床結合面靜態基礎特性參數的建模及應用[J]. 制造技術與機床, 1998，（6）：811[14] 趙相松, 徐燕申. 數控機床主軸單元的動態優化設計[J]. 機械設計, 1995，13（6）：2830[15] 紀海慧, 盧熹, 張建潤,等. CK1416數控車床整機結合面動力學特性建模與仿真[J]. 精密制造與自動化, 2003，13（1）：3032[16] 劉偉, 高維成, 于廣濱,等. ANSYS [M]. 北京。電子工業出版社, ：3393