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基于ANSYS的机床主轴箱有限元分析

发布于:2019-11-26 19:34
有限元分析

      随着计算机与App技术的日益普及和应用,有限元分析等现代结构分析方法已受到工程设计人员的广泛认同和采用,并取得了显著的技术经济效益。本文采用ANSYS有限元App分析机床主轴箱,为其结构优化提供可靠的理论依据。
      由于复杂的零件模型直接传递会产生ANSYS模型无法生成的问题,因此需对主轴箱模型进行适当的简化和修改,简化的基本原则按照以下几点:1)在建模时力求精确,以真实反映结构的静动态特性;2)忽略模型中所有小特征,包括倒角、圆角、小孔及凸台;3)对模型中的小锥度、小曲率曲而进行直线化和平而化处理;4)不考虑对整体静、动态特性影响小的零部件结构。机床主轴箱箱体结构模型,材料属性为HT250,其弹性模量E=2.06E5MPa,泊松比0.25,密度p=7.8E-6 kg/mm,轴孔中线受力:P‑=450 kg,P1=600 kg;轴孔中线受力:P= 300 kg,P1= 400 kg。主轴箱在矩形导轨和三角形导轨上滑移。
      由于主轴箱结构为空间不规则几何体,故选用有中间节点单元,细化水平为3进行自由网格划分。节点数为23863个,单元数为11712个。
      主轴箱在工作条件下,导轨二方向运动均受到限制,故对导轨而进行方向位移约束。由于载荷的特殊性,作如下处理:求各个孔中心所受分力的合力,然后再根据轴承孔受力特点,以压力的形式施加到孔上。
      可以看出大部分的应力偏差值为3MPa,局部区域的单元应力偏差值在2.5 MPa左右,说明主轴箱的网格划分密度良好,能保证计算结果的精度。可以看出,最高应力偏差值为7.329 MPa,这是由于主轴箱与导轨接触处存在尖角导致的应力集中现象。这种应力集中是由于几何构造或载荷引起弹性理论计算应力值较大,它不会影响整个结构的分析。
      节点等效应力分布可以看出,主轴箱大部分区域的等效应力值为2MPa,最大值为9.266 MPa,位于轴孔下边缘处。主轴箱应力分布不均匀,主轴箱大部分区域的安全系数在20以上,其设计的安全系数较大。从应力分析的角度,材料抵抗破坏的能力还有很大的潜力,应力值仍远远低于材料的强度极限,其应力集中不会影响主轴箱体的刚度。
      结构总变形分布可以看出,主轴箱大部分的总变形值为-0.0012 mm,最大值为0.0024 mm,位于主轴箱孔施加载荷处。主轴箱整体变形较小,能保证在最大承载条件下加工出高精度的产品。但整体来讲,3个方向的刚度分布不太均匀,如果可能,可以改进主轴箱结构,以提高主轴箱刚度,确保加工产品的精度。


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