基于ANSYS的主轴动静态特性的有限元分析
- 前言
高速加工技术在机械制造业是一次具有突破性的技术革命[1]。随着科学技术的高速发展，众多数控机床如今正朝着高速度、高精度、高效率与复合化方向发展，精密的数控车床和车削中心已成为现代数控机床发展的主要方向之一。研发一台高精密数控车床需要多种方案的反复对比与试验，也需要大量的技术投资和较长的开发周期。如何合理利用现有的技术高速快捷地提高其动静态特性和加工性能，已成为我国精密数控车床急需解决的问题[2]。对于这方面的研究，机械工业一直十分重视。但是一台机床的构成相当复杂，包含各种看似简单实则对系统稳定性影响较大的零件。显而易见，主轴是机床的重要的组成部分之一，机床在加工过程中，主轴对于加工精度的影响很大[3] 。加工精度意味着一个机床能够加工到的最高标准，对于机械行业不言而喻，有着决定性作用。对于主轴的研究多种多样，本文利用有限元分析（FEA）对机床主轴进行优化设计，为今后设计出优性能，轻质量的机床主轴提供经验和依据[4]。
- 历史发展与现有成果
2.1轴的研究
对于机床主轴的研究，一直在随着时代而发展。在上世纪60年代以前，国内外大多采用经验类比法进行主轴结构及动力学特性的设计。60年代初,开始出现最佳支承跨距的计算，虽然使得主轴结构设计有了很大的改进，但是计算方法和计算手段的限制，仍旧十分繁琐。到20世纪末，随着计算机技术的发展，各种计算机方法的相继问世，如古典结构分析法、传递矩阵法、有限差分法、有限单元法等促使人们单元的动力学特性研究进入了一新的阶段。到了21新世纪，在2000年的时候，北京理工大学的刘素华利用有限元分析软件ALGORFEAS对电主轴的动静态特性进行了分析。2001年，浙江大学的蒋兴奇在考虑轴承载荷和变形的非线性特性及摩擦热的影响的情况下，建立了主轴变形和固有频率的计算方法。同年，杨曼云等利用MSC.Nastran软件对TH6350卧式加工中心的主轴系统进行了静、动态特性分析。武汉理工大学的杨光等利用传递矩阵法对电主轴系统进行了动力学特性分析。2003年，无锡机床股份有限公司的蔡英等基于iRccatit传递矩阵法对MKZ12oA型内圆磨床的高速主轴系统进行了动力学特性分析，可以说对于主轴的研究迈向了一个新的纪元。
2.2有限元的发展
自从20世纪50年代诞生以来，有限元理论体系不断完善，已成为工程学分析中极其重要的，不可缺少的计算工具[5]。但追根溯源，这项技术的诞生有着深远的历史。300年前，牛顿和莱布尼茨的积分法为有限元分析奠定了最初的理论基础。随之而来的一百年间，高斯、拉格朗日分别提出了加权余值及现行袋鼠方程组解法和泛函分析。19世界末20世纪初，数学家瑞雷和里兹提出可以对全定义域运用函数来表达其上的位置函数。1915年，数学家加辽金提出了一形函数的伽辽金法，这一方法后来被人们普遍运用于有限元。1943年，数学家库朗德提出的新的思想，在定义域内分区运用函数来表达定义域上的未知函数。这其实就是有限元的核心思想和做法。正是这一系列的思想方法的提出，进一步确立了有限元技术的第二个理论基础。有限元技术的真正出现是在1960年后美国的R.W.CIough教授以及我国的冯康教授在他们各自的论文中提出了“有限单元”这个名词，这以后才被世人广泛知晓，并接受。
有限元法是一种采用电子计算机求解复杂工结构的十分有效的数值计算方法，将我们所研究的一个系统有效转化为一个结构类似的系统，由众多细小的单元组合而成，取代原来的复杂系统[6]。这项技术技术发展至今，已经衍生出许多相对应的分析软件，如ABAQUS、ANSYS、MSC。其中ANSYS软件是目前国际上著名的有限元软件之一。它是由美国匹兹堡大学力学系教授JohnSwanskon博士开发出来的[7]。ANSYS的适用范围涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利工程、电子科技、地质矿物、.生物医学、教学科研等众多领域，运用十分广泛[8]。
去年ANSYS发布出最新的18.0版本，拥有着最先进的功能，为指导和优化产品设计带来了最佳方法和更全面的解决方案。主要有以下四点：
- 实现了电子设备之间的互相连接
- 适用于各种类型材料的仿真操作
- 极大程度简化复杂流体动力学的工程问题
- 基于模型的系统和嵌入式的软件开发
ANSYS主要提供了一种新的模式，将语言参数化，APDL（Ansys Parametric Design Language），从而具有了我们所知的宏、循环、分支等一系列程序语言功能，并且可以提供较为简便的界面设定制度，实现了参数之间的交互输入，运行程序，进行参数化建模[9]。通过对设定变量的数据分析，确定了主要的优化设计变量，实行对单目标以及多目标的优化设计[10]。
