基于ANSYS丝杠安装位置的可靠性分析

刘彦伯

(陕西国防工业职业技术学院 机械工程学院，陕西 西安 710302)

基于ANSYS丝杠安装位置的可靠性分析

刘彦伯

(陕西国防工业职业技术学院 机械工程学院，陕西 西安 710302)

基于ANSYS软件分析平台，以静力学理论分析技术为基础，以有限元分析方法为核心，利用Pro/E的三维建模功能建立工件模型后，导入ANSYS软件进行了分析。并联合使用这两款软件对某机床床身的丝杠安装位置进行了零件的可靠性分析与研究，对变形、应力、应变等物理量进行了分析讨论。在对优化前后之间的差异进行了比较分析后提出了结构优化策略。优化了产品设计结构并加快了设计过程。

可靠性分析；结构优化；有限元分析

0 引言

随着科学技术的进步和信息化时代现代工业技术的飞速发展，机械加工设备随着时代的进步而发展，现代机床设备以其高精度、高品质、高效率等诸多优良的加工性能在现代工业生产中的使用范围和频率越来越广泛，同时机床设备的革新换代速度也较以前有了倍数式的增长，这就要求厂家整体的设计周期要极具压缩且更有效率，工程设计人员精通CAE方法、软件并和CAD、CAM相结合成为了一种趋势。有限元方法及其软件在工程中的应用正好弥补了这一空缺，在近十几年内CAE软件也有了飞速的发展并被广泛应用到工程实践当中，ANSYS软件正是在CAE类软件中应用最为广泛的一款。文中正是要在CAD/CAE的基础之上借助Pro/E和ANSYS这两款软件对丝杠螺母安装部位的可靠性进行高效地研究并结合工程实践提出结构优化策略。机械加工设备的床身作为关键性基础部件对保证机械加工设备的加工性能起着至关重要的作用，丝杠螺母安装部位的可靠性也对这一关键性基础部件起着很关键的作用。因此，开展对机械加工设备丝杠螺母安装部位的可靠性的研究对保证机械加工设备工作时的稳定性和可靠性大有益处。现以某机械加工设备床身的丝杠螺母安装部位为研究对象，以静力学理论分析技术为基础，采用三维建模软件Pro/E和有限元软件ANSYS对研究对象进行研究分析，并结合实际测量的结果对原有结构进行改进，并提出结构优化策略，从而提高机械加工设备的动静态特性，提高其稳定性和可靠性并有效降低生产成本。

1 力学模型和有限元模型的建立

在进行有限元分析前需要建立一个真实可信的力学模型和有限元模型。此部分的研究对象是丝杠螺母安装部位的可靠性，为了分析的方便且不失真需要对分析对象进行一定的简化，选取导轨的最后一节(尾座顶尖部分)以及其上的顶尖装置为研究对象。首先，建模过程中忽略了小孔、凸台等对分析结果影响不大的结构要素。设置材料的弹性模量、密度、泊松比等参数及接触面类型。最后，设置边界条件进行ANSYS静力学分析，得到变形、应力等参量经后处理得到最终的分析结果，并根据结果进行优化。

该研究部位受力分析示意图(即力学模型)如图1所示。

图1 研究对象整体受力分析示意图

图1中各参数所示意义如下：2400kN为顶尖力，中间3个方向的力是由实际工况中的切削力得到的(实验及分析过程在此不作详细论述)，G为工件重力。后续分析时所加载的力是图1各力向两个顶尖处简化的结果。

为了使有限元分析仿真结果具有可靠性和准确性，要求在建立三维模型时要尽可能绘制的完整且细致，以便于提高在后续有限元分析时的可靠性和精准度。但是ANSYS软件的三维建模功能不是很强大，操作时相对也比较繁琐，所以可以先用三维建模功能比较强大的专业软件Pro/E完成建模[1]，然后再导入ANSYS中进行后续分析处理[2]。Pro/E和ANSYS毕竟是两款内部核心不同的软件，那么在Pro/E导入ANSYS的过程中难免会出现失真、数据不兼容等情况， 这就对后续的分析处理造成了一定的困扰。正确导入的方法有很多，第1种方法是利用中间格式进行导入，比如IGES格式等，具体做法如下: 先用Pro/E软件把三维模型另存为IGES格式，再用ANSYS软件打开IGES文件，进行一定的修补即可；第2种方法是通过ANSYS所提供的专用接口将ANSYS集成到Pro/E中，但是要注意软件的兼容性，比如ANSYS 14和Pro/E 4.0就不能进行有效集成。

将Pro/E软件所绘制的三维模型导入ANSYS后进行网格的划分，如图2所示。

图2 模型网格的划分

该研究部分划分的网格情况如图2所示，总共为64474单元、127041节点面。由于Frictional是一种可以法相分离，实现正常的接触闭合和打开行为，具有正常的粘着/滑动摩擦行为，设定接触面摩擦系数为0.15，这种接触的方式主要用来研究接触面的刚性，以及螺栓的变形情况。但是由于螺栓的固定方式采用了bonded，会导致螺栓连接处受到很大的剪力，所以计算出的等效应力、变形普遍较实际情况较大。

2 模型边界条件、求解及结果分析

2.1 加载和约束条件

此处研究对象是螺母的安装位置可靠性，所以将有螺纹的地方，简化为曲面，以便于计算并且增加了重力约束条件。导轨和螺栓需要进行材料属性的设定，两者材料分别为铸铁和结构钢[3-7]。螺母与导轨的接触方式是Frictional，螺母与螺母的接触方式是No Separation。螺栓连接方式是Bonded，固定约束为导轨底面。在一个螺母上添加240 t轴向力，具体加载和约束情况如图3所示。

图3 加载和约束条件

2.2 求解及结果分析

首先查看总变形云图，本部分的总变形云图、x方向变形云图、y方向变形云图、z方向变形云图分别如图4、图5、图6、图7所示，根据变形云图可以看出导轨、螺母的变形最大0.2365mm，x方向最大变形很小为0.07679mm，y方向最大变形为0.032 878mm，z方向最大变形为0.2348mm。

图4 总变形云图局部放大视图

图6 y方向变形云图

图7 z方向变形云图

查看螺母的变形云图如图8所示，螺母的最大变形为0.2365mm。

图8 螺母变形云图

螺栓和销钉的应力云图如图9所示，由该图可以看出螺栓和销钉连接处最大的应力为160MPa。

图9 螺母应力云图

螺母的变形云图如图10所示，由该图可以看出螺母的变形趋势。螺母的等效应力情况如图11所示，由该图可以看出，在螺栓与箱体的连接处等效应力最大为160MPa左右。

图10 螺母变形云图

图11 螺母等效应力云图

3 优化策略及结论

把分析结果和实际情况相比较后发现，螺母和导轨的强度基本是足够的，但是螺栓和销钉比较危险，存在优化的空间需要进一步进行优化处理[8-9]。

根据上述分析可以看出螺母安装位置受到240t的轴向力时是基本是可以承受的，经过优化后发现结构和之前的差别并不大，这说明原有设计比较合理、合适，优化的空间较小，基本可以不改变原有结构。

在计算过程中螺栓和销钉同时承受轴向力，最大应力为160MPa，经过实地测试，实际中承受轴向力的主要是销钉，这会导致其实际受力较160MPa还要大，这就存在设计隐患，需要对螺栓和销钉进行一定的优化，考虑到经济性和可操作性等诸多因素，较为简便的办法是更换材料，可以采用某些特殊材料替换原有材料。在更换材料后再次进行相关分析时发现基本可以满足实际情况和设计要求，从而达到了预期的设计目的。

[1] 二代龙震工作室. Pro/ENGINEER高级设计[M]. 北京: 电子工业出版社，2008.

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Reliability Analysis of Screw Mounting Location Based on ANSYS

LIU Yanbo

(College of Mechanicsal Engineering，Shanxi Institute of Technology，Xi’an 710302, China)

Based on ANSYS software analysis platform and static theoretical analysis technology and with, finite element analysis as core, this paer uses Pro / E to build the model and imports ANSYS for analysis. Both softwars are used to do the reliability analysis and study of the screw mounting position of the machine bed. Its deformation, stress, strain and other physical quantities are analyzed and discussed. Comparing the difference before and after its optimization, the structure optimization strategy is proposed, which is used to optimize the product structure design and speed up the design process.

reliability analysis; structural optimization; FE analysis

刘彦伯(1982-)，男，陕西咸阳人，讲师，主要从事机械设计与制造方面的教学和研究工作。

TP391.7

A

1671-5276(2015)05-0116-03

2014-02-12