魯丙亮　崔思明

　　摘　要：本文利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言為機床的主軸結(jié)構(gòu)建立有限元模型，然后利用ANSYS軟件對有限元模型進行分析，針對主軸的重量、外徑、支承跨距等結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化計算，設(shè)計出Z合理的機床主軸結(jié)構(gòu)。
　　關(guān)鍵詞：ANSYS；機床主軸；結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　機床的主軸是控制機床運轉(zhuǎn)的核心部件之一，機床主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計會影響整個機床運轉(zhuǎn)的性能。機床的主軸結(jié)構(gòu)一般都是空心的階梯狀主軸，使用到了兩個支承或者三個支承。主軸上一般裝有傳動裝置，通過主軸運動帶動其他裝置的運轉(zhuǎn)。主軸前面部分裝有刀具，對待加工的工件進行切削。所以，機床主軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計是機床設(shè)計的重要部分。本文以Z常見的機床主軸結(jié)構(gòu)為研究目標，利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言為機床的主軸結(jié)構(gòu)建立有限元模型，然后利用ANSYS軟件對有限元模型進行分析，經(jīng)過一系列計算，Z終得到Z優(yōu)機床主軸結(jié)構(gòu)^[1]。
　　1　ANSYS軟件工作原理與流程
　　1.1ANSYS軟件工作原理
　　機床主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計一般是以整體質(zhì)量Z輕或者剛度Z好為出發(fā)點，盡量將支承跨度、軸徑等控制在合理范圍。由于機床的主軸結(jié)構(gòu)極為復雜，而且當前的工件加工要求越來越高，對于機床的性能要求也越來越高，傳統(tǒng)的機床主軸結(jié)構(gòu)受力分析方法已經(jīng)無法滿足當前的需求，所以急需新的受力分析方法來參與機床主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
　　有限元分析法是目前比較先進的結(jié)構(gòu)分析方法，它能從機械結(jié)構(gòu)的受力、形變以及自振等方面分析出機械內(nèi)部結(jié)構(gòu)Z佳設(shè)計方案。而Z佳設(shè)計方案是指在滿足一切設(shè)計基本要求的條件下，將總成本投入控制在Z小。有限元分析法是使用多次迭代的算法，經(jīng)過了許多次計算，所以分析得到的結(jié)果可靠程度比較高。
　　ANSYS軟件是一種集流體、電場、磁場、聲場等分析與一題的大型分析軟件，其應(yīng)用的領(lǐng)域包括航空航天、汽車交通、土木工程、生物醫(yī)學、日用家電等領(lǐng)域，分析類型包括結(jié)構(gòu)靜力學分析、結(jié)構(gòu)動力學分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、流體動力學分析、壓電分析等等。本文對某臥式車床參數(shù)化模型進行靜力學分析，建立起設(shè)計變量、狀態(tài)變量以及目標函數(shù)三者聯(lián)系的分析模型，以設(shè)計變量為自變量，狀態(tài)變量控制設(shè)計變量數(shù)值，目標函數(shù)值為因變量。通過調(diào)節(jié)狀態(tài)變量，不斷調(diào)節(jié)自變量的大小，通過迭代計算得到目標函數(shù)值，當目標函數(shù)值Z小時，設(shè)計變量值達到Z優(yōu)^[2]。
　　1.2ANSYS軟件工作流程
　?。?）建立參數(shù)化模型：要對主軸結(jié)構(gòu)進行分析，首先必須要建立一個參數(shù)化模型。利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言以設(shè)計變量為參數(shù)建立參數(shù)化模型；
　?。?）對參數(shù)化模型分析求解；
　?。?）將參數(shù)化模型的分析結(jié)果反饋給狀態(tài)變量及目標函數(shù)；
　?。?）通過控制狀態(tài)變量，調(diào)節(jié)設(shè)計變量的數(shù)值，獲得新的分析結(jié)果，然后拿新的分析結(jié)果與上次分析結(jié)果相比較，確認本次目標函數(shù)是否收斂，如果收斂，說明目標函數(shù)數(shù)值已經(jīng)達到Z佳設(shè)計數(shù)值；如果沒有收斂，則按照前面步驟進行循環(huán)，直到目標函數(shù)收斂為止。
　　2　機床主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　2.1建立參數(shù)化模型
　　在機床主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計時，重點關(guān)注的因素有兩個：一個是主軸自身重量，還有一個就是主軸伸出段的撓度。對于主軸自身重量，可以將主軸自身重量的Z小值作為目標函數(shù)求解的Z終目標，對此，可以先選好主軸的材料，確定好主軸材料的密度，只需要將主軸的體積作為目標函數(shù)，就可以求解得到主軸的重量。設(shè)計變量為主軸的外徑D、支承跨度L、齒輪到前支承的距離X、以及孔徑a，建立參數(shù)化模型。
　　2.2ANSYS軟件靜力學分析
　　在參數(shù)化模型構(gòu)建好以后，利用ANSYS軟件對其進行靜力學分析。首先給主軸前面部分的節(jié)點上施加大小為10000N的壓力，傳動裝置對主軸的壓力為2000N，然后對模型的狀態(tài)條件實施控制，進行結(jié)構(gòu)的分析，Z終得到主軸靜力學分析示意圖，如圖1所示。

　　從圖中可以看出主軸前面部分的水平位移為0.0635mm，主軸的靜剛度經(jīng)過計算，約為157N/um^[3]。
　　2.3多次迭代獲得Z佳結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)
　　對分析結(jié)果進行多次迭代計算，Z終得到Z佳結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)：主軸前部分的水平位移距離為0.05mm，剛度值為197N/um，主軸體積為0.002m³，支承距離為92mm，主軸Z大應(yīng)力為16MP，懸伸長度為90mm，支承跨度為300mm。
　　結(jié)束語
　　將ANSYS軟件系統(tǒng)應(yīng)用于機床主軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可以使得機床主軸結(jié)構(gòu)的參數(shù)大大優(yōu)化，結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理。通過建立參數(shù)化模型，對參數(shù)化模型進行分析，再用多次迭代計算，獲得Z優(yōu)目標函數(shù)，節(jié)約了機床主軸設(shè)計材料，降低了機床主軸設(shè)計成本。
　　參考文獻：
　　[1]王紅兵，敖瑞金，黃漢琨.基于ANSYS的CKS6125數(shù)控機床主軸的模態(tài)分析[J].機械研究與應(yīng)用，2011，24（05）：30-31+34.
　　[2]侍紅巖.基于ANSYS的機床主軸優(yōu)化設(shè)計[J].湖南農(nóng)機，2013，40（07）：84-85.
　　[3]趙建峰，魏鋒濤，宋俐.基于ANSYS的機床主軸箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2010，23（05）：140-142.

來源：《科學與財富》2016年31期