基于ANSYS的机床主轴箱有限元分析

科技信息机床主轴箱是机床的关键部件，也是机床设计过程中工作量最大的部件。

主轴箱是采用一根动力轴带动多根主轴的工作方式，各传动轴必须在有限的标准箱体空间中找到适宜的分布位置并避免干涉，而各轴的设计又必须保证其转速、旋向、强度和刚度，因此难度较大。

用有限元法对主轴箱进行静态结构分析，计算出箱体的应力情况、固有频率和振型，为主轴箱的动态分析和优化设计提供理论依据。

１．建立有限元模型１．１建立简化的实体模型根据主轴箱的二维工程图，利用Ｐｒｏ／Ｅ可以方便地建立主轴箱的三维实体模型。

为保证ＡＮＳＹＳ分析结果的准确性，在Ｐｒｏ／Ｅ里定义模型的尺寸单位为国际制（米千克秒）。

以通用的ＩＧＥＳ格式保存并导入ＡＮ－ＳＹＳ中。

也可以采用ＰＲＯ／ＭＥＣＨＡＮＩＣＡ进行二次转换，然后再用ＡＮ－ＳＹＳ进行分析。

由于实体模型含有诸如螺纹孔、小圆角及倒角等小结构，在建立主轴箱有限元模型时不可能使模型的质量矩阵和刚度矩阵与实际情况保持一致，而且以上诸多小结构在网格划分以及求解的时候会耗用大量的资源和时间，所以在导入ＡＮＳＹＳ建立有限元模型以前，可根据等效原理对以上小结构进行简化，简化模型如图１所示。

图１主轴箱的简化模型图２主轴箱有限元模型１．２定义单元类型材料属性主轴箱材料使用灰铸铁ＨＴ２００，其密度７３４０ｋｇ／ｍ３；弹性模量１．３Ｅ１１Ｐａ；泊松比０．２５，由于主轴箱结构为空间不规则几何体，故选用有中间节点的ｓｏｌｉｄ９２四面体单元；在ｍａｔｅｒｉａｌｍｏｄｅｌｓ中依次输入密度、弹性模量和泊松比。

１．３有限元网格的划分一般轴承座的圆柱面只有１／２处承受载荷，所以在网格划分之前要将受载面分割出来。

在轴承座的中心线上建立工作平面（ＷＰ），使ｘ轴与中心线保持一致，旋转ｙ轴到适当位置，按命令－ｄｉｖｉｄｅ－ＡｒｅａｂｙＷＰ，用ｙ轴分割该圆柱面。

每个单元大小为２０ｍｍ进行自由网格划分。

节点数为１１３００个，单元数为９０００个。

箱体有限元模型如图２所示。

第1期(总第164期)2011年2月机械工程与自动化M ECHA N ICAL EN GI NEER IN G &　AU T O M A T IO N N o.1F eb.文章编号:1672-6413(2011)01-0075-02基于AN SYS 的机床主轴优化设计葛建兵1,翟雪琴2,马　蓉1,马本学1,高广娣1(1.石河子大学,新疆　石河子　832000; 2.河南工业大学,河南　郑州　450052)摘要:用有限元分析软件A N SY S 对机床主轴进行优化设计。

首先给出了优化设计的数学模型,并给出A N SY S 具体的设计步骤。

通过得出的优化结果说明A N SY S 优化设计模块在机械零件优化设计上的可行性,为其他较为复杂的机械零件设计提供了新的思路和方法。

关键词:A N SY S ;主轴;优化设计中图分类号:T H133.2 文献标识码:A收稿日期:2010-05-25;修回日期:2010-08-18作者简介:葛建兵(1976-),男,新疆奎屯人,讲师,硕士,主要研究方向:机械CAD 。

0　引言机床主轴是机床的主要零件,其性能直接影响被加工零件的质量。

主轴伸出端的挠度是影响加工零件质量的重要因素之一。

本文利用大型有限元分析软件ANSYS 对机床主轴进行了优化设计,不仅大大减轻了主轴的体积,也为设计出性能优、重量轻的机床主轴提供了理论依据。

1　机床优化设计模型1.1　ANSYS 优化设计原理优化设计是一种寻求最优设计方案的技术,所谓“最优设计”指的是一种方案不仅可以满足设计要求,而且所需的支出(如重量、体积、费用等)最小,也就是说最优设计方案就是一种最有效率的方案。

优化设计是通过构建优化模型,在满足设计要求的条件下进行的迭代运算,求得目标函数的极值,得到最优设计方案。

优化问题的数学模型可以表示为:最优设计变量:X *=[x 1*　x 2*　…　x n *]T 。

目标函数:f (X *)=min f (X )　X ∈Q R n 。

基于ANSYS的轴的有限元分析ANSYS是一种用于工程分析的有限元分析软件，可以用来解决各种结构和物理问题。

在这篇文章中，我将介绍如何使用ANSYS进行轴的有限元分析。

在轴的有限元分析中，我们需要首先创建轴的几何模型。

通过ANSYS的建模工具，我们可以创建轴的几何形状，包括直径、长度和端部的约束条件。

接下来，我们需要定义轴的材料特性。

可以通过ANSYS的材料库选择适当的材料，并输入其弹性模量和泊松比等参数。

在进行有限元分析之前，我们需要将轴的几何模型离散化为有限元素。

可以使用ANSYS的网格划分工具，将轴划分为多个有限元。

划分的精度和密度可以根据实际需求进行调整。

在进行有限元分析之前，我们需要定义加载条件。

轴可以受到各种不同类型的载荷，如压力、拉力或扭矩。

可以使用ANSYS的加载工具，将这些载荷应用于轴的相应位置。

完成了网格划分和加载条件定义后，我们就可以进行有限元分析了。

根据所选的分析类型，可以使用ANSYS的求解器来解决轴上的力、位移和应力等问题。

ANSYS提供了不同的求解器，如静力学求解器、热力学求解器和动力学求解器等。

在有限元分析完成后，我们可以检查分析结果并进行后处理。

可以使用ANSYS的后处理工具，查看轴上的位移、应力和应变分布。

还可以绘制图表和动画，以更好地理解分析结果。

最后，我们可以通过修改材料或几何参数，重新运行有限元分析，以评估不同设计方案的性能。

ANSYS的参数化设计功能可以帮助我们自动化这个过程，快速评估多个方案。

总之，基于ANSYS的轴的有限元分析是一种强大的工程分析方法，可以帮助我们了解轴的力学特性，并进行设计优化。

通过使用ANSYS的建模、求解和后处理工具，我们可以准确地预测轴的行为，并为轴的设计提供有力支持。

一、Ⅱ轴的静态分析
1、同样建立新的关于Ⅱ轴的新算例；
2、设定材料：根据题目要求，设置Ⅱ轴材料为45钢；
3、夹具的选择：该轴为中间传动轴，轴上有两个键槽，使其与齿轮相连接。

因
此，将一段的键槽进行固定，另一端设定为固定铰链，保证可以绕轴向转动。

4、添加外部载荷：该轴与齿轮连接，在齿轮啮合时会受到齿轮所作用的扭矩，
此处设定为30N.m，同时齿轮自身的重量也会给轴带来一定的压力，此处设定为20N。

5、网格划分；
6、运行该算例，得出应力云图、位移云图及安全系数图解。

设置变形比例为100，应力云图如上图所示。

其中，最大应力为0.04112N/m2，最小应力为0.665e-6N/m2，位置如上图所示。

设置变形比例为100，位移云图如上图所示。

其中最大位移为0.367e-05mm，最小位移为0.000e+00mm，位置如上图所示。

如图所示，安全系数小于1，因此该轴不满足要求，需改进。

基于ANSYS勺轴类零件有限元静力学分析马超（山东科技大学交通学院，车辆工程2011-1 ）.、八、-刖言轴向受弯扭的杆件在工程中的应用非常广泛。

齿轮减速器中的齿轮轴承受扭矩的作用，如果扭矩过大，或者轴过于细长，则有可能突然变弯，发生稳定失效。

有限元法是利用电子计算机进行数值模拟分析的方法。

ANSY软件作为一款功能强大、应用广泛的有限元分析软件，不仅具备几何建模的模块，而且也支持其他主流三维建模软件接口，目前在工程技术领域中的应用十分广泛，其有限元计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。

文章在基于有限元分析软件ANSY的基础上对轴的承载特性进行了分析。

摘要：介绍应用ANSY软件分析轴类零件在扭转载荷压力作用下发生形变量和应力分布的情况。

关键词：载荷；轴；ANSYS一问题分析求解下图为一轴类零件结构示意图。

该零件在两个滚动轴承处受到轴向和径向约束，左侧键槽侧面受到6000N的均布载荷，右侧键槽侧面受3000N的均布载荷。

模型材料为钢材料，弹性模量为2 1011MP a，泊松比为0.3。

作出等效应力图和变形图，并进行强度分析。

1—I-二轴有限元模型2.1建立轴零件有限元模型轴为左右对称结构。

在Siemens UGNX8.5中建立该轴三维模型，通过接口导 入 ANSY 中。

该载荷轴采用Tet 10node 187单元。

此单元是一个高阶3维20节点固体结构单元， 每个节点有3个沿x 、y 和z 方向平移的自由度，具有二次位移模式，主要适用于位 移、变形等方面。

如果要求精度高，可较好地剖分；如果要求精度不高，由于单 元本身是高阶单元，使用稍微弱一点的网格也可行，能够用于不规则形状，且不 会在精度上有任何损失。

2.2网格划分网格划分的过程就是结构离散化的过程，通常轴模型划分的单元越多越密 集，就越能反映实际结构状况，计算精度越高，计算工作量越大，计算时间增长。

由于轴结构属于局部不规则几何体，因此采用自动划分法进行网格划分。

基于ANSYS的CK6136数控车床的有限元分析及优化设计概述数控车床是一种用来加工各种金属和非金属材料的机床。

通过对其结构进行有限元分析，并进行优化设计，可以有效提升其性能和可靠性。

本文将基于ANSYS软件对CK6136数控车床进行有限元分析及优化设计。

有限元分析有限元分析是一种数值计算方法，可以通过将结构离散为有限数量的单元，通过求解单元间的力学关系，得到整个结构的应力、应变等信息。

在对CK6136数控车床进行有限元分析时，可以按照以下步骤进行：1.建立模型：使用CAD软件建立CK6136数控车床的三维模型，并导入ANSYS中进行后续分析。

2.确定边界条件：根据实际情况，确定数控车床模型的边界条件，包括约束边界和荷载边界。

3.网格划分：将数控车床模型进行网格划分，将其离散为有限数量的单元，以便进行求解。

4.材料特性：对数控车床模型中的不同部件，设置相应的材料特性，包括弹性模量、泊松比等参数。

5.求解和分析：通过ANSYS进行求解，得到数控车床的应力、应变分布等结果，并进行分析。

优化设计在进行有限元分析的基础上，可以对CK6136数控车床进行优化设计，以提升其性能和可靠性。

优化设计的具体步骤如下：1.设计变量确定：根据数控车床的具体特点和设计要求，确定需要进行优化的设计变量，如刀架结构、主轴轴承等。

2.设计空间确定：根据设计变量的范围和约束条件，确定设计空间。

3.目标函数确定：根据优化目标，确定相应的目标函数，如最小化应力、最大化刚度等。

4.约束条件确定：根据设计要求和约束条件，确定相应的约束条件，如最大应力不超过其中一临界值等。

5.优化算法选择：选择合适的优化算法进行求解，如遗传算法、粒子群算法等。

6.优化求解：通过调整设计变量的取值，使用选定的优化算法进行求解，得到最优解。

7.结果分析：对优化结果进行分析，包括对最优解的解释和结构性能的评估。

总结本文基于ANSYS软件对CK6136数控车床进行了有限元分析及优化设计。

基于ANSYS_WORKBENCH的机床动态性能分析及改进机床的动态性能对于机床的稳定性、精度和效率具有重要影响。

通过对机床进行动态性能分析和改进，可以提高机床的加工效率和精度，降低故障率，提升生产效率。

本文将基于ANSYS_WORKBENCH对机床进行动态性能分析，并提出改进方案。

首先，通过ANSYS_WORKBENCH对机床进行动态性能分析。

ANSYS_WORKBENCH是一款用于工程仿真的软件，具有强大的建模和分析能力，可以对机床进行应力、振动和变形等方面的分析。

通过建立机床的有限元模型，可以模拟机床在加工过程中的振动情况，分析机床的固有频率、模态振型等动态性能指标，评估机床在运行过程中的稳定性。

在动态性能分析的基础上，针对机床存在的问题进行改进。

根据动态性能分析的结果，可以确定机床存在的振动源、刚度不足、动态刚性不够等问题，进而提出相应的改进方案。

对于振动源较为明显的问题，可以通过加装减振装置、增加机床刚度等方式进行改进；对于刚度不足的问题，可以通过调整机床结构、更换材料等方式增加机床的刚度；对于动态刚性不够的问题，可以通过控制系统的调整和优化来改进。

在改进方案实施后，再次通过ANSYS_WORKBENCH对机床进行动态性能分析，验证改进效果。

通过对改进后的机床进行振动、应力、变形等方面的分析，评估改进方案的有效性。

如果改进方案有效，可以进一步提出优化建议，加强机床的设计和制造过程控制。

最后，通过对机床的动态性能分析及改进，可以提高机床的加工效率和精度。

精确掌握机床的动态性能指标，可以及时发现和解决机床存在的问题，降低故障率，提升机床的稳定性和可靠性。

通过对机床的改进，可以进一步提高机床的刚性和动态刚性，降低机床的振动和变形，提高加工精度和表面质量。

综上所述，基于ANSYS_WORKBENCH的机床动态性能分析及改进可以有效提高机床的加工效率和精度，降低机床故障率，提升生产效率。

对于机床制造企业来说，重视机床的动态性能分析和改进工作，不仅可以提高产品竞争力，还可以满足市场对精密加工的需求，推动企业的可持续发展。

基于ANSYS软件的机床主轴箱设计分析摘要: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。

结构的建模和网格划分：有限元分析的最终目的是要还原一个实际工程系统的数学行为特征，也就是说分析必须是针对一个物理原型的准确的数学模型。

广义上讲，模型包括所有的节点、单元、材料属性、边界条件，以及其他用来表现这个物理系统的特征。

在ANSYS术语中，模型生成一般狭义地指用节点和单元表示空间体域及实际连接的生成过程。

_______________________________________________________电主轴建模使用Pro/E Wildfire 5.0建模，建模完成后在菜单栏——ANSYS 12.0选项中选择“ANSYSGeom”，将建立的图形导入到ANSYS中。

（如图1、2）（图1）（图2）导入到ANSYS后，界面中并未显示模型，此时在ANSYS菜单栏中选择plot——lines（线框模式）或者volumes（实体模式）就可以看到导入的零件了；本次点选volumes，界面显示主轴的三维模型。

（如图3）（图3）ANSYS建模过程：（1）开始确定分析方案。

分析目标为加工中心电主轴，模型采取Pro/E三维建模并导入ANSYS，选用SOLID45单元进行离散分网。

1.指定分析标题并设置分析范畴：在菜单栏File->Change Title处修改分析名称为“analysis of a axis”。

再选取ANSYS Main Menu->Preference，在Structure选项前打钩，单击OK。

2.定义单元类型：选取ANSYS Main Menu->preprocessor->element type->add/edit/delete，在弹出的Element Types对话框中单击add ，出现library of element type对话框，在左边的滚动框中单击“structural solid”、右边滚动框中单击“quad 4node 42”。

之后单击apply。

毕业设计说明书基于有限元方法对C6140机床主轴的分析学院：专业：班级：指导教师：学生姓名：2011．5．10I本科毕业论文摘要ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。

因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。

C6140机床是最常见的一款普通手动车削机床，该机床结构较为简单，操作方便，加工精度高，价格低廉，因此得到了广泛的使用。

目前很多C6140机床都做了适当的改进，使其适用性得到了更大的提高。

本设计是基于ANSYS软件来对C6140机床主轴经行分析。

与传统的计算相比，借助于计算机有限元分析方法能更加快捷和精确的得到结果。

设置正确的模型、划分合适的网格，并合理设置求解过程，能够准确的获得分析模型各个部位的应力、变形等结果。

对零件的设计和优化有很大的参考作用。

正是因为上述优点，我在本设计中运用PRO/E来建立C6140机床主轴的三维模型。

再将此模型导入ANSYS软件来对其经行分析。

关键词C6140；主轴；三维建模；ANSYS；动静态分析Qq 945846125IIIII本科毕业论文AbstractANSYS (finite element) package is a multi-purpose finite element method for computer design program that can be used to solve the structure, fluid, electricity, electromagnetic fields and collision problems. So it can be applied to the following industries: aerospace, automotive, biomedical, bridges, construction, electronics, heavy machinery, micro-electromechanical systems, sports equipment and so on.C6140 machine is the most common a regular manual turning machine, the machine structure is simple, convenient operation, high precision, low prices, it has been widely used. At present, many have made the appropriate C6140 machine improvements, it has been greatly enhanced applicability.The design is based on ANSYS software to C6140 by the line of spindle. Compared with the traditional calculation, computer-based finite element analysis method can be faster and more accurate results. Set the correct model, dividing the right grid, and set a reasonable solution process, analytical model can accurately access the various parts of the stress and deformation results. On the part of the design and optimization has great reference.It is because of these advantages, the use of this design in my PRO / E to create three-dimensional model C6140 spindle. Then this model was introduced by the ANSYS software to its line of analysis.Keywords C6140; spindle; three-dimensional modeling; ANSYS; dynamic and static analysisIVV本科毕业论文目录摘要...................................................................................................................I I Abstract.. (IV)目录 (VI)前言 (1)第一章分析方法和研究对象 (3)1.1 ANSYS简介 (3)1.1.1ANSYS的主要应用领域 (3)1.2研究对象 (5)1.2.1C6140车床简介 (7)1.2.2C6140车床主轴箱 (10)1.2.3C6140车床主轴 (13)第二章C6140机床主轴的模型建立 (15)2.1 主轴二维制图 (15)2.2 主轴三维建模 (16)2.2.1 PROE软件简介 (16)2.2.2 PROE建立主轴模型方法 (19)第三章C6140机床主轴的受力特点 (23)3.1 主轴组件的布局 (23)3.2 主轴组件的受力 (24)3.3 C6140机床主轴简化受力模型·····································错误！未定义书签。