劉彥伯

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院機械工程學院，陜西西安 710300)

0 引言

隨著科學技術的進步和信息化時代工業(yè)技術的飛迅發(fā)展，現(xiàn)代機床設備憑借其高精度、高質量、高效率等諸多優(yōu)點在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的使用范圍和頻率越來越廣泛，這就要求廠家的設計周期要急劇壓縮且更有效率，工程設計人員精通CAE并結合CAD、CAM也成為一種必然趨勢。有限元方法及軟件在工程中的應用正好彌補了這一空缺，在近十幾年內(nèi)CAE軟件有了飛速式的發(fā)展并被廣泛應用到工程實踐中，ANSYS正是被廣泛應用的軟件。有限元分析方法實際是要還原一個實際工程中的數(shù)學行為，在對具體工程問題進行有限元分析時，先要建立一個可信、可靠的有限元模型，合理的建模方法是準確建立模型的關鍵。筆者正是在CAD/CAE的基礎上借助三維建模軟件Pro/E和有限元軟件ANSYS對研究對象進行研究分析，Pro/E軟件的引入也彌補了ANSYS軟件在建模功能的相對不足［1］。

1 分析思想及模型建立

筆者主要對某型車床絲杠螺母嚙合處螺紋的可靠性進行分析與研究。為了方便研究，只選取其中一節(jié)絲杠螺母的螺紋連接處作為研究對象。在分析前，先應在不影響研究對象結構和受力狀態(tài)的前提下對其進行結構的簡化和合理的假設，這樣做可提高分析運算的效率且不影響分析的結果:①建模過程中忽略了小孔、凸臺等對分析結果影響不大的結構要素;②視零件材料為均質、一體的，統(tǒng)一設置材料的彈性模量、密度、泊松比等參數(shù)及接觸面類型;最后，設置邊界條件進行相關的靜力學分析，得到變形、應力、應變云圖等;③處理得到最終的分析結果。

為了使有限元分析仿真結果具有可靠性和準確性，要求在建立三維模型時要盡可能繪制的完整且細致，以便于提高在后續(xù)有限元分析時的可靠性和精準度。但是ANSYS軟件的三維建模功能不是很強大，操作時相對較繁瑣，所以可先用三維建模功能較強大的專業(yè)軟件Pro/E完成建模，然后再導入ANSYS中進行后續(xù)分析處理［2］。Pro/E和ANSYS畢竟是兩款內(nèi)部核心不同的軟件，那么在Pro/E導入ANSYS的過程中難免會出現(xiàn)失真、數(shù)據(jù)不兼容等情況，對后續(xù)的分析處理造成了一定的困擾。

正確導入的方法有很多:①利用中間格式進行導入，比如IGES格式等，具體做法如下:先用Pro/E軟件把三維模型另存為IGES格式，再用ANSYS軟件打開IGES文件，進行一定的修補即可;②通過ANSYS所提供的專用接口將ANSYS集成到Pro/E中，但要注意軟件的兼容性，如ANSYS 14和Pro/E 4.0就不能進行有效集成。該研究對象的三維模型及網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。網(wǎng)格總共87 850個單元、151 433個節(jié)點，單元大小適中，網(wǎng)格質量良好。螺紋連接處采用Bond-ed方式［3］。

2 載荷約束的施加及求解結果分析

選擇材料是合金材料36CrNiMo4，選擇相應操作，對材料進行設定后，相應的密度、楊氏模量、泊松比等也進行了相應的調整。絲杠內(nèi)表面采用了Cylindrical Support，軸向移動為自由，絲杠一端添加了約240 t的軸向力，螺母固定與導軌的接觸面［4－7］。具體加載和約束情況如圖2所示。

圖1 三維模型及其網(wǎng)格劃分

圖2 加載和約束情況圖

根據(jù)總變形云圖可反映出研究對象在受力狀態(tài)下的最大形狀形變過程，對其結構改進和優(yōu)化具有一定的意義。研究對象的總變形圖、X方向變形圖、Y方向變形圖、Z方向變形圖分別如圖3、4、5、6，根據(jù)該變形云圖可看出變形最大不超過0.123 44 mm，Z向變形(即軸向變形)稍大，為絲杠螺母受力時的主要變形方向，總體來看變形較小，這就說明總體設計基本可滿足設計工況的要求［8－9］。

圖3 總變形圖

圖4 X方向變形圖

圖5 Y方向變形圖

圖6 Z方向變形圖

研究對象的總等效應力云圖、螺母等效應力圖、絲杠應力圖分別如圖7、8、9所示，根據(jù)云圖可看出，最大等效應力為659 MPa，出現(xiàn)在螺紋的邊緣，此處相當于懸臂梁受力的情況，應力較大，在螺紋的嚙合處應力在150 MPa左右?？傮w來看，絲杠螺母所受應力基本滿足要求，其結構強度和剛度較好，總體設計基本滿足設計工況的要求。

圖7 總等效應力圖

圖8 螺母等效應力圖

圖9 絲杠等效應力圖

3 結論

從分析結果可看出，螺紋變形的最大值為0.123 44 mm左右，最大接觸應力值為659 MPa，且只出現(xiàn)在個別的應力集中點，螺紋的嚙合處應力大部分在150 MPa左右，螺母最大應力出現(xiàn)在螺紋的邊緣處，此處有應力集中，大約為450 MPa左右，絲杠最大應力出現(xiàn)在與螺母嚙合處的邊緣，大約為150 MPa左右。零件整體的安全系數(shù)基本可達2.0左右，基本滿足安全系數(shù)不小于1.8的要求，所選用的合金材料36CrNiMo4是一種較理想的材料，其整體結構設計也較合理、結實耐用、具有較好的結構強度和剛度，基本可滿足實際使用要求。對于個別區(qū)域應力集中的現(xiàn)象可進行簡單的工藝處理，如對某些特定的邊角進行必要的倒角、倒園便可消除應力過于集中的現(xiàn)象。

［1］ 二代龍震工作室.Pro/E高級設計［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［2］ 劉建強.復雜結構Pro/E模型導入ANSYS中的方法研究［J］.新技術新工藝，2011(3):36－38.

［3］ 陳艷霞.ANSYS工程應用案例精通［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2012.

［4］ 高耀東.ANSYS機械工程應用精華［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2013.

［5］ 陸 爽，孫明禮，丁金福，等.ANSYS 13有限元分析從入門到精通［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2012.

［6］ 浦廣益.ANSYS 12基礎教程與實例詳解［M］.北京:中國水利水電出版社，2010.

［7］ 張洪才，何 波.有限元分析ANSYS 13.0從入門到實戰(zhàn)［M］.北京:機械工業(yè)出版，2011.

［8］ 姚 屏.ANSYS下數(shù)控車床床身拓撲優(yōu)化設計［J］.機床與液壓，2009(11):104－106.

［9］ 黃 偉，劉光浩.基于APDL的ZK5 140型鉆床工作臺有限元分析與優(yōu)化［J］.機床與液壓，2010，23(38):97－104.