基于ANSYS软件的机床主轴箱设计分析

朵庆跃　刘玉梅

摘 要：主轴箱是机床的关键部件之一。 主轴箱的动态特性，直接影响整机加工效果。充分利用有限元分析软件ANSYS，在主轴箱动态设计优化方面已经发挥了重要作用。本文主要从ANSYS软件和有限元的设计简介入手，对ANSYS优化设计和有限元建模设计提出了具体的设计方法。该方法的采用，为复杂机械结构优化设计，提供了一种新解决办法。

关键词：优化 ANSYS软件 主轴箱

中图分类号：TG52 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（c）-0021-01

在机床零件中，主轴箱设计是机床设计过程中，工作量比较大部件。采用限元分析等现代结构法，已受到专业工程设计人员的采用，并且出现了显著的技术经济效益，肯定了它在机床主轴箱优化设计中积极的作用。

1 ANSYS软件和有限元设计简介

ANSYS有限元软件包，采用了多用途的有限元法程序设计。在求解流体、结构、电磁场、电力的问题问题上，具有重要作用。在航天航空、汽车生产工业、生物医学治疗、桥梁建造，以及电子产品、机械重型、微机电等等方面都大显身手。并且从力学计算，以及组合分析方面，使用了全面解决方案。因此，工程师拥有了功能强大而且方便易用的分析设计方法。有限单元法，主要利用力学模型，采用近似的数值方法，把被分析的对象直接离散化，使得最小位能原理和虚位移原理，得到了基本理论求解方法。有限单元法的基本思想，把连续的求解域，拆分为有限数量，在按一定方式下组织起来，形成单元的组合体。有限单元法另一个特点，是利用单元内假设近似函数，实现全求解域分解，得到待求未知场函数。这个过程中，单元内的近似函数，主要由未知场函数各个节点的数值，以及位置函数的插值函表示。由于单元组合方式不同，单元本身又有不同形状。所以可以用模型化，得到了最终的复杂求解域。

2 ANSYS 优化设计

ANSYS中因为采用参数化语言，即APDL语言，在ANSYS 的优化下，复杂结构的优化设计模块就可以实现了。典型的 ANSYS优化设计中，有以下几个步骤：首先，定义设计变量以及状态变量。选择优化工具和方法。其次，模块进行优化分析，查看设计序列结果。再次，建立参数化有限元模型，并且加载并求解。最后，提取并指定状态，在变量和目标函基础上，对文件进行分析。ANSYS优化模块中，主要有两种优化方法。首先，是通用的逼近优化法，本质是使用了最小二乘法逼近。求取函数面来实现拟合解空间。接着对该函数面求极值。这种方法是普遍优化法，采用这种方法，局部极值点不容易陷入。但是这种方法的弊端是在优化的精度上，不能实现高精度预测，在促优化阶段更加能够显示效果。所以被称作做梯度寻优。局部细化的精优化采用比较多。

3 主轴箱有限元建模设计

3.1 主轴箱模型处理与简化假设

以主轴箱和垫板结合面，在主轴箱模型设计中是我们主要研究对象，主要探讨床身导轨与主轴箱几何界面特征的描述。在建立分析模型，以及控制ANSYS程序分析方面，有限元单元划分数目，是建立有限元模型关键环节之一。在数量关系和解题精度方面，主要是和计算的速度、算费用相关。事实上，并非单元数目越大，精度实现就越高，特别是在动态计算方面。零件上的小孔、倒角诸多细小的特征，对其动态特性影响不是很大。这就导致有限元建模时，主轴箱和垫板小特征被忽视。但是，由于箱盖在主轴箱的强度方面影响很大，这就要求我们在建模时，把箱盖和箱体一起研究。箱体总体尺寸一般为为235 mm×425 mm×295 mm，材料为HT200，弹性模是1.2E11，泊松比为0.25。建立模型后，选用与其结构类似的10节点SOLID92块单元，细化水平主要为4，进行智能网格划分。分出20352个节点，和10030个单元得到的有限元模型。

3.2 主轴箱三维模型图

3.2.1 主轴箱建模

由于零件模型的复杂性，传递产生AN-SYS模型将无法生成难题。所以，需对主轴箱模型加强适当简化，基本原则主要有以下几点，首先在在建模时后，要力求精确，可以反映结构静动。其次，模型中所有小特征都不可以忽略。不可忽略的细节有倒角、小孔及、圆角等。最后，对模型小锥度，小曲率曲面在直线化处理方面要考虑周到。最后，整体静、动态特性影响小不需要考虑。的主轴箱结构模型，如图2所示，其弹性模量E=2.06E5 MPa，泊松比μ=0.25，材料属性为HT250，密度ρ=7.8E-6 kg/mm2孔B受力：Py=450 kg，y=300 kg，PZ=400 kg。孔A受力：Py=450 kg，PZ=600 kg。主轴箱在矩形导上，连同三角形导轨需要向上滑移。

零件在建立模型时，第一步是将零件特征寻找出来。对于这些特征的尺寸进行确定。包含的内容有形状特征和精度特征，以及材料特征。零件形状特征，是零件建模的关键环节，主要有设计者输入的参数，和零件从特征参考的数值两种不同模型。设计者往往根据零件的设计，对零件的装配决定通过人际界面的参数输入。但是，零件模型继承特征，不是设计者主要输入项目。上级特征确定以后，特征定位点和定位方向，对下级特征所要继承上级特征起到了决定作用。

3.2.2 网格设计

由于主轴箱结构是几何体不规则体，网格的设计使用中有中间节点的solid186单元，在细化水平上为3自由型网格划分。一共有节点数23863个，单元数11712个。

3.2.3 边界条件和载荷

在工作条件下，主轴箱导轨面在y、z方向，均受到运动限制。这就导致导轨面产生y、z方位移制约。再次因为计算出到孔颈面模型上，PA=3.4 MPa，B孔PB=2.9 MPa。

分析了数控机床主轴箱，在结构、材料特点和承载情况，对主轴箱的三维实体模型，并且对主轴箱静态分析之后。主轴箱箱体部分区域在安全系数呈现较高的安全系数。满足危险工况下，零件的加工的要求能保证数控铣床不安全条件下，足够的零件加工精度实现。另外，主轴箱的动态性比较好，但是在结构方面，刚度有不均的现象存在。同时，对ANSYS优化设计和有限元建模设计，为铣床主轴箱的设计开辟了理论基础，加快计算精度，设计周期大大缩短了。

参考文献

[1] 张向宇，熊计，郝锌，等.基于ANSYS的立柱有限元分析及结构优化设计[J].机械科学与技术，2008（12）：1602-1605.

[2] 龚曙光.ANSYS基础应用及范例解析[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3] 刘涛，杨凤鹏.精通ANSYS[M].北京：清华大学出版社，2002.endprint