基于ANSYS的磨床主轴模态分析_何朝聪VIP免费

书第44卷第5期上海师范大学学报(自然科学版)Vol．44，No．52015年10月JournalofShanghaiNormalUniversity(NaturalSciences)Oct．，2015DOI:10．3969/J．ISSN．1000－5137．2015．05．001基于ANSYS的磨床主轴模态分析何朝聪，刘培培，严春飞，王慕欢，林军(上海师范大学信息与机电工程学院，上海200234)摘要:以某型号磨床砂轮架主轴为研究对象，利用Solidworks对其进行三维建模，导入AN-SYS软件进行模态分析，得到其固有频率、振型和临界转速，并对所得的数据进行了科学分析．分析结果表明:主轴结构合理，可以保证加工精度;同时得到主轴变形最剧烈以及可能出现主轴疲劳断裂的位置，为下一步的优化设计和精度控制提供了理论依据．关键词:主轴;有限元分析;模态分析;固有频率中图分类号:TH133文献标志码:A文章编号:1000-5137(2015)05-0461-05收稿日期:2014-09-30通信作者:林军，中国上海市徐汇区桂林路100号，上海师范大学信息与机电工程学院，邮编:200234，E-mail:lin-jun@shnu．edu．cn0引言随着科技的进步，现代机床向着高速度、高精度、高刚度和高稳定性方向发展．主轴作为机床的主要执行部件，直接影响工件的加工精度．磨床在运行时，主轴部件在自身旋转的同时还受到外界激振力的作用，产生复杂振动．当外界激振力的频率与主轴的某一固有频率比较接近时，主轴将会发生弯曲、扭转共振，引起主轴和砂轮架等结构产生变形，最终导致局部结构疲劳破坏，影响被磨削加工工件质量．因此，为了使主轴系统获得较高的强度、刚度和稳定性，有必要对主轴的动态特性进行分析．模态是指机械系统在各频率下工作时的动态响应，是机械系统固有的振动特性．一般来讲，某一机械系统的动态响应是该系统的若干阶模态振型的综合．通过模态分析可以确定机械机构的振动特性，即结构的固有频率和振型，即可准确地预测该机构受到其他激振力作用时的实际振动响应，进行机构的动态设计和机床的故障诊断等，同时可估计出主轴变形最剧烈以及可能出现主轴疲劳断裂的位置，为机床主轴结构的动态特性研究和进一步优化设计提供依据．也可以作为其他动力学分析问题的起点，如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析等．模态分析根据研究的方法和手段的异同一般可分为试验模态分析和理论模态分析．试验模态分析综合运用信号技术处理、动态测试技术、线性振动理论等，通过测试输入输出的信息对机械系统的模态参数进行识别．理论模态分析以有限元思想和线性振动理论为基础，通过计算机和专业的工程分析软件建立研究系统振动特性、响应和激振力三者关系的模型，进而求解其动态特性．1主轴有限元分析主轴上各点受到外力时的响应可由固有频率、阻尼和振型等模态参数组成的各阶振型模态的叠加来表示，其运动微分方程为:［M］{x··}+［C］{x·}+［K］{x}={F(t)}．(1)式(1)中［M］、［C］、［K］分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵;{x··}、{x·}、{x}和{F(t)}分别为上海师范大学学报(自然科学版)2015年系统的加速度向量、速度向量、位移向量和激振力向量．因为系统的固有频率由系统的自身结构所决定，与受到外界的载荷无关;系统阻尼对结构的振型及固有频率影响微小，因此系统可以简化为无阻尼无外载荷的自由振动系统．则式(1)可简化为:［M］{x··}+［K］{x}=0．(2)根据线性振动理论，系统的自由振动可分解为多个简谐振动的叠加．则考虑如下简谐振动方程的解:{x}={λ}sin(ωt+)．(3)式(3)中{λ}为位移幅值向量，ω为频率，为初始相位角．联立式(2)和式(3)，可得:－ω2［M］{λ}sinωt+［K］{λ}sinωt=0．(4){λ}是位移{x}的振幅列向量，与时间t无关，故式(4)可简化为:(［K］－ω2［M］){λ}=0．(5)这便是求广义特征值问题．1．1建立主轴模型ANSYS软件提供了多类型的数据接口，使得在其他CAD/CAE软件中建立的模型能很方便地导入ANSYS进行有限元分析．首先采用三维软件SolidWorks建立主轴模型，保存为Para格式，然后将模型导入有限元分析软件ANSYS中．为简化计算，在不对分析结果产生太大的影响下，忽略了部分细节结构，如倒角、凹槽、圆角、退刀槽等．导入到ANSYS软件的主轴的三维模型及有限元模型如图1所示．图1主轴...