魯丙亮　崔思明

　　摘　要：本文利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言為機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)建立有限元模型，然后利用ANSYS軟件對(duì)有限元模型進(jìn)行分析，針對(duì)主軸的重量、外徑、支承跨距等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，設(shè)計(jì)出Z合理的機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)。
　　關(guān)鍵詞：ANSYS；機(jī)床主軸；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　機(jī)床的主軸是控制機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)的核心部件之一，機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)影響整個(gè)機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)的性能。機(jī)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(gè)支承或者三個(gè)支承。主軸上一般裝有傳動(dòng)裝置，通過(guò)主軸運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)其他裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)。主軸前面部分裝有刀具，對(duì)待加工的工件進(jìn)行切削。所以，機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是機(jī)床設(shè)計(jì)的重要部分。本文以Z常見(jiàn)的機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)為研究目標(biāo)，利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言為機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)建立有限元模型，然后利用ANSYS軟件對(duì)有限元模型進(jìn)行分析，經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算，Z終得到Z優(yōu)機(jī)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(jī)床主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般是以整體質(zhì)量Z輕或者剛度Z好為出發(fā)點(diǎn)，盡量將支承跨度、軸徑等控制在合理范圍。由于機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，而且當(dāng)前的工件加工要求越來(lái)越高，對(duì)于機(jī)床的性能要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)受力分析方法已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前的需求，所以急需新的受力分析方法來(lái)參與機(jī)床主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
　　有限元分析法是目前比較先進(jìn)的結(jié)構(gòu)分析方法，它能從機(jī)械結(jié)構(gòu)的受力、形變以及自振等方面分析出機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu)Z佳設(shè)計(jì)方案。而Z佳設(shè)計(jì)方案是指在滿足一切設(shè)計(jì)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(guò)了許多次計(jì)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(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)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(chē)交通、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、日用家電等領(lǐng)域，分析類(lèi)型包括結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、壓電分析等等。本文對(duì)某臥式車(chē)床參數(shù)化模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，建立起設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量以及目標(biāo)函數(shù)三者聯(lián)系的分析模型，以設(shè)計(jì)變量為自變量，狀態(tài)變量控制設(shè)計(jì)變量數(shù)值，目標(biāo)函數(shù)值為因變量。通過(guò)調(diào)節(jié)狀態(tài)變量，不斷調(diào)節(jié)自變量的大小，通過(guò)迭代計(jì)算得到目標(biāo)函數(shù)值，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)值Z小時(shí)，設(shè)計(jì)變量值達(dá)到Z優(yōu)^[2]。
　　1.2ANSYS軟件工作流程
　?。?）建立參數(shù)化模型：要對(duì)主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，首先必須要建立一個(gè)參數(shù)化模型。利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言以設(shè)計(jì)變量為參數(shù)建立參數(shù)化模型；
　?。?）對(duì)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(biāo)函數(shù)；
　?。?）通過(guò)控制狀態(tài)變量，調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)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(rèn)本次目標(biāo)函數(shù)是否收斂，如果收斂，說(shuō)明目標(biāo)函數(shù)數(shù)值已經(jīng)達(dá)到Z佳設(shè)計(jì)數(shù)值；如果沒(méi)有收斂，則按照前面步驟進(jìn)行循環(huán)，直到目標(biāo)函數(shù)收斂為止。
　　2　機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　2.1建立參數(shù)化模型
　　在機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注的因素有兩個(gè)：一個(gè)是主軸自身重量，還有一個(gè)就是主軸伸出段的撓度。對(duì)于主軸自身重量，可以將主軸自身重量的Z小值作為目標(biāo)函數(shù)求解的Z終目標(biāo)，對(duì)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(biāo)函數(shù)，就可以求解得到主軸的重量。設(shè)計(jì)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(xué)分析
　　在參數(shù)化模型構(gòu)建好以后，利用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析。首先給主軸前面部分的節(jié)點(diǎn)上施加大小為10000N的壓力，傳動(dòng)裝置對(duì)主軸的壓力為2000N，然后對(duì)模型的狀態(tài)條件實(shí)施控制，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分析，Z終得到主軸靜力學(xué)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(guò)計(jì)算，約為157N/um^[3]。
　　2.3多次迭代獲得Z佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)
　　對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行多次迭代計(jì)算，Z終得到Z佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(zhǎng)度為90mm，支承跨度為300mm。
　　結(jié)束語(yǔ)
　　將ANSYS軟件系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以使得機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)的參數(shù)大大優(yōu)化，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理。通過(guò)建立參數(shù)化模型，對(duì)參數(shù)化模型進(jìn)行分析，再用多次迭代計(jì)算，獲得Z優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，節(jié)約了機(jī)床主軸設(shè)計(jì)材料，降低了機(jī)床主軸設(shè)計(jì)成本。
　　參考文獻(xiàn)：
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來(lái)源：《科學(xué)與財(cái)富》2016年31期