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基于ANSYS车床主轴模态分析江苏师范大学机电工程学院秦念对摘要：车床主轴对零件加工精度有很大影响。
通过三维绘图软件Pro/E建立主轴的三维实体模型，再导入有限元软件ANSYS中进行模态分析。
利用有限元分析方法对主轴的固有频率和10阶模态图分析求解，可以在设计过程中得到主轴的动态特性，对主轴设计维护具有指导意义。
关键词：模态分析；有限元；固有频率；Pro/E导入0 引言振动是工程结构中常见的问题，结构的固有振动特性是进行结构设计所必须了解的。
有限元技术的出现通过对模型结构和边界等合理模拟，可以快速准确得出结构的固有振动特性。
本文通过对车床主轴箱模态有限元分析，得出了结构固有特性以及确定优化方案1 模态分析的内容与应用1.1模态分析：是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。
模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。
这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。
这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。
通常，模态分析都是指试验模态分析。
振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。
通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。
因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。
模态分析的最终目标在是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。
模态分析技术的应用可归结为以下几个方面：1) 评价现有结构系统的动态特性；2) 在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计；3) 诊断及预报结构系统的故障；4) 控制结构的辐射噪声；5) 识别结构系统的载荷。
关于数控机床模态分析的综述数控机床模态分析是一种对数控机床进行动态特性分析和优化的方法。
模态分析可以帮助工程师了解和改进机床的刚性、自振频率、模态阻尼等参数，以提高机床的加工精度和稳定性。
数控机床模态分析方法包括理论分析、有限元分析和实验测试等。
理论分析是利用工程力学理论和振动理论推导机床的自振频率和振型分布等参数。
有限元分析则是将机床建模为有限元模型，通过有限元软件计算模态参数。
实验测试方法通常需要用到加速度传感器、传动器和数据采集系统等设备进行振动信号采集和分析。
数控机床模态分析可以揭示机床的动态性能问题，指导机床的设计和改进。
通过模态分析，可以方便地了解机床各模态的自振频率、振型和消能能力，从而为机床的优化设计提供参考。
此外，模态分析还可用于检验机床的加工稳定性和动态刚性情况，评估机床的工作性能。
数控机床模态分析的应用范围非常广泛。
首先，在机床的设计阶段，模态分析可以帮助工程师了解机床的固有频率，并对其激振频率进行避免和设计。
其次，在机床的改进和优化过程中，模态分析可以帮助确定改进措施、指导改进方向，提高机床的精度和稳定性。
再次，在机床故障诊断和维护中，模态分析可以用于检测机床的振动异常情况，快速定位故障和精确定位问题所在。
然而，数控机床模态分析仍然存在一些挑战和局限性。
首先，模态分析涉及到大量的振动信号采集和分析，需要专业的设备和技术支持。
其次，机床的振动特性受到多种因素影响，如机床结构、切削过程、刀具、工件材料等。
因此，模态分析结果需要结合实际情况进行综合分析和判断。
最后，随着机床的不断更新和演变，模态分析方法和技术需要不断发展和改进，以适应新型机床的需求。
总的来说，数控机床模态分析是一种重要的机床动态性能分析方法，可以为机床的设计、改进和维护提供有力的支持。
随着模态分析技术的不断发展，相信它会在数控机床行业中得到越来越广泛的应用。
复杂工况下磨齿机主轴运行模态分析方法目录一、内容概要 (2)1. 研究背景和意义 (3)2. 国内外研究现状 (4)3. 论文研究目的与内容 (5)二、磨齿机主轴系统概述 (6)1. 磨齿机主轴结构 (7)2. 磨齿机主轴功能 (7)3. 复杂工况下主轴面临的挑战 (8)三、模态分析理论基础 (9)1. 模态分析概述 (10)2. 模态分析的基本原理 (11)3. 模态参数识别方法 (12)四、复杂工况下磨齿机主轴模态分析 (13)1.1 建立磨齿机主轴有限元模型 (15)1.2 仿真分析与验证 (16)2. 实验分析 (18)2.1 实验准备与测试方案 (19)2.2 实验数据获取与处理 (20)3. 结果对比与分析 (21)3.1 仿真结果与实验结果对比 (22)3.2 主轴模态参数分析 (23)五、磨齿机主轴运行性能优化研究 (24)1. 基于模态分析的主轴结构优化 (25)2. 运行参数优化 (27)3. 复杂工况下的动态性能优化策略 (28)六、结论与展望 (29)1. 研究结论 (30)3. 展望与建议 (32)一、内容概要本文深入探讨了在复杂工况下，对磨齿机主轴进行运行模态分析的方法。
文章首先概述了模态分析技术的重要性，接着详细介绍了磨齿机主轴的工作原理及其在复杂工况下所面临的挑战。
在此基础上，文章重点阐述了模态分析的基本理论及分析方法，并结合具体实例，展示了如何应用这些方法对磨齿机主轴进行实际模态分析。
文章首先指出了模态分析技术在机械工程领域中的核心地位，它能够为机械系统的振动特性提供全面的信息，从而帮助工程师更好地理解设备的运行状态并预测潜在的故障。
文章详细分析了磨齿机主轴的工作原理，以及其在加工过程中所承受的复杂载荷，包括旋转力、切削力等。
这些载荷会导致主轴产生复杂的振动，影响其工作精度和寿命。
在模态分析的基本理论部分，文章介绍了模态分析的定义、目的和基本步骤，包括数据采集、特征提取、模态参数识别等。
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【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ANSYS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.【期刊名称】《上海师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(044)005【总页数】5页(P461-465)【关键词】主轴;有限元分析;模态分析;固有频率【作者】何朝聪;刘培培;严春飞;王慕欢;林军【作者单位】上海师范大学信息与机电工程学院,上海200234;上海师范大学信息与机电工程学院,上海200234;上海师范大学信息与机电工程学院,上海200234;上海师范大学信息与机电工程学院,上海200234;上海师范大学信息与机电工程学院,上海200234【正文语种】中文【中图分类】TH133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.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：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｝和｛F（t）｝分别为系统的加速度向量、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：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：式（3）中｛λ｝为位移幅值向量，ω为频率，φ为初始相位角.联立式（2）和式（3），可得：｛λ｝是位移｛x｝的振幅列向量，与时间t无关，故式（4）可简化为：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.1.2 简化轴承支承在对机床主轴结构进行模态分析时，进行如下简化：（1）认为轴承只具有径向刚度，忽略交叉刚度的影响.（2）将轴承简化为弹性支承，支点位置在接触线与主轴轴线交点处.（3）进一步将支承简化为径向的压缩弹簧单元，每个轴承周向等效分布4个弹簧.其模型如图2所示.1.3 设置单元参数和约束条件采用Solid45单元模拟主轴，采用Combin14弹簧阻尼单元对主轴轴承进行模拟分析.主轴的材料为40Cr，其弹性模量E=2.06e11 Pa，泊松比NUXY= 0.3，密度DENS=7800 kg/m3.合理地确定有限元约束条件是成功地进行模态分析的基本条件，约束应尽可能地符合原结构的实际情况.采取前轴承为固定端，约束其全部自由度（Ux，Uy，Uz）；后轴承为游动端，轴向不加约束，即Ux不约束.1.4 模态分析结果主轴的自由振动可通过其各阶振型的线性叠加来表示.相对于高阶振型，低阶振型对主轴的振动影响较大.取其前10阶模态振型.ANSYS软件提供了7种模态提取方法，其中分块法（Block Lanczos）求解器采用兰索斯算法，用一组向量来实现兰索斯递归运算，具有求解精度高，运算速度快的优点.作者采用BlockLanczos法对所建立的主轴系统有限元模型进行模态分析，提取主轴的前10阶振型如图3～12所示，各阶振型幅值变化如图13所示.由以上分析结果可知，第3阶与第4阶频率值很接近，并且振型表现为正交，因此可将其视为重根.同理，第6阶与第7阶，第9阶与第10阶视为重根.主轴前10阶模态临界转速如表2所示.由计算结果可知，该主轴的模态临界转速均高于该主轴的最高工作转速7500r/min，能有效地避开共振区，说明该主轴设计是合理的，可保证主轴的加工精度. 通过对某磨床主轴前10阶固有频率和相应振型的分析，得出如下结论：（1）为保证加工精度，主轴工作时最高转速不得超过其一阶临界转速的75%.主轴工作时最高转速n=7500 r/min，远小于表2中各阶临界转速.因此主轴能够有效避开共振区，保证主轴的加工精度.（2）由于采用弹簧阻尼单元来模拟轴承的支承，且忽略了交叉刚度的影响，模态分析所得的固有频率和临界转速要小于实际值.（3）通过对主轴进行有限元建模及模态分析，获得了主轴的固有频率和振型，得到主轴的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了一定的依据和分析基础.【相关文献】［1］ YU T B，WANG X Z，GUAN P，et al.Modal Analysis of Spindle System on Ultra-high Speed Grinder［J］.Journal of Mechanical Engineering，2012，48（17）：183-188. ［2］ CAILG，MA SM，ZHAO Y S，et al.Finite ElementModeling and Modal Analysis of Heavy-duty Mechanical Spindle under Multiple Constraints［J］.Journal of Mechanical Engineering，2012，48（3）：165-173.［3］ WU H Y.FEM and Optimization-design of Spindle Parts in Machine Tools［J］.Machine Tool&Hydraulics，2008，36（11）：157-159.［4］ WU TQ，LIU H，JING M Q，et al.Support Stiffness Calculation and Modal Analysis of High Speed Motorized Spindle［J］. Machinery Design&Manufacture，2013，8：5-7. ［5］ CHEN G P，WEN G L，CUIZ，et al.Modal Testing and Analysis of the Main Shaft for High-speed Grinder［J］.Journal of Hunan University（Natural Sciences），2010，37（4）：22-26.［6］ LIX J，YAN R Z.Research on Dynamic Characteristics of High-speed Cylindrical Grinding Spindle based on ANSYS［J］. Manufacturing Automation，2012，34（1）：150-153.［7］ LIANG SY，CHEN C，YIN JH.The Analysis for the Modals of Metedzed Spindle based on Finite Element［J］.Manufacturing Automation，2012，34（1）：57-60.［8］ ZHANG Y M，LIU C S，XIE Z K，et al.Study on the Finite Element Modeling Method of Spindle Assemble of High Speed NCMachine Tool［J］.ManufacturingTechnology&Machine Tool，2008，9：76-79.。
机床实验模态分析综述机床实验模态分析是对机床结构进行振动模态测试和分析的方法。
通过分析机床的振动模态，可以获得机床结构的固有频率、振型以及振动响应等重要信息，为机床结构的设计与优化提供依据。
本文将从机床实验模态分析的意义、方法、应用以及存在的问题等方面进行综述。
首先，机床实验模态分析对于机床结构的设计与优化具有重要的意义。
机床是制造业中的核心装备之一，其结构的刚度和动态特性直接影响到加工精度和稳定性。
通过模态分析，可以了解机床的固有频率和振型分布，帮助设计人员在机床结构设计阶段合理选择材料、布置各组件以及优化结构，从而提高机床的刚度和稳定性。
机床实验模态分析的方法主要包括自由悬臂法、强迫振动法和频率响应法等。
自由悬臂法是通过将传感器固定在机床的一个自由端，通过激励机床另一自由端产生振动，再通过传感器采集振动信号。
强迫振动法是在机床上施加周期性的激励力，通过传感器采集振动响应信号。
频率响应法则是通过在机床上施加白噪声信号激励，然后通过传感器采集机床的振动响应信号，利用频谱分析和相关函数分析方法来得出机床的振动模态。
机床实验模态分析在制造业中有着广泛的应用。
首先，在机床结构加工和装配阶段，可以通过模态分析检测机床的动态特性是否满足设计要求，避免在后续的生产中因机床结构的固有频率与激励频率相接近而引起的异常振动和共振问题。
其次，机床实验模态分析对于故障诊断和状态监测也具有重要意义。
通过分析机床振动信号的频谱特性，可以检测到机床的故障频率和故障模式，提前预警机床故障并采取相应的维修措施。
此外，机床实验模态分析还可以为机床结构的修复和改进提供指导意见。
然而，机床实验模态分析也存在一些问题。
首先，由于机床结构复杂、刚度大，分析过程中存在传感器布置不合理、测量结果的噪声和干扰等问题，可能会影响模态分析的准确性。
其次，机床结构的非线性特性对模态分析结果的影响较大，因此，在实际应用中需要采取合适的非线性建模方法进行分析。
