劉彥伯

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 機械工程學院，陜西 西安 710302)

基于ANSYS絲杠安裝位置的可靠性分析

劉彥伯

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 機械工程學院，陜西 西安 710302)

基于ANSYS軟件分析平臺，以靜力學理論分析技術(shù)為基礎(chǔ)，以有限元分析方法為核心，利用Pro/E的三維建模功能建立工件模型后，導入ANSYS軟件進行了分析。并聯(lián)合使用這兩款軟件對某機床床身的絲杠安裝位置進行了零件的可靠性分析與研究，對變形、應(yīng)力、應(yīng)變等物理量進行了分析討論。在對優(yōu)化前后之間的差異進行了比較分析后提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略。優(yōu)化了產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)并加快了設(shè)計過程。

可靠性分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；有限元分析

0 引言

隨著科學技術(shù)的進步和信息化時代現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，機械加工設(shè)備隨著時代的進步而發(fā)展，現(xiàn)代機床設(shè)備以其高精度、高品質(zhì)、高效率等諸多優(yōu)良的加工性能在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的使用范圍和頻率越來越廣泛，同時機床設(shè)備的革新?lián)Q代速度也較以前有了倍數(shù)式的增長，這就要求廠家整體的設(shè)計周期要極具壓縮且更有效率，工程設(shè)計人員精通CAE方法、軟件并和CAD、CAM相結(jié)合成為了一種趨勢。有限元方法及其軟件在工程中的應(yīng)用正好彌補了這一空缺，在近十幾年內(nèi)CAE軟件也有了飛速的發(fā)展并被廣泛應(yīng)用到工程實踐當中，ANSYS軟件正是在CAE類軟件中應(yīng)用最為廣泛的一款。文中正是要在CAD/CAE的基礎(chǔ)之上借助Pro/E和ANSYS這兩款軟件對絲杠螺母安裝部位的可靠性進行高效地研究并結(jié)合工程實踐提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略。機械加工設(shè)備的床身作為關(guān)鍵性基礎(chǔ)部件對保證機械加工設(shè)備的加工性能起著至關(guān)重要的作用，絲杠螺母安裝部位的可靠性也對這一關(guān)鍵性基礎(chǔ)部件起著很關(guān)鍵的作用。因此，開展對機械加工設(shè)備絲杠螺母安裝部位的可靠性的研究對保證機械加工設(shè)備工作時的穩(wěn)定性和可靠性大有益處?，F(xiàn)以某機械加工設(shè)備床身的絲杠螺母安裝部位為研究對象，以靜力學理論分析技術(shù)為基礎(chǔ)，采用三維建模軟件Pro/E和有限元軟件ANSYS對研究對象進行研究分析，并結(jié)合實際測量的結(jié)果對原有結(jié)構(gòu)進行改進，并提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略，從而提高機械加工設(shè)備的動靜態(tài)特性，提高其穩(wěn)定性和可靠性并有效降低生產(chǎn)成本。

1 力學模型和有限元模型的建立

在進行有限元分析前需要建立一個真實可信的力學模型和有限元模型。此部分的研究對象是絲杠螺母安裝部位的可靠性，為了分析的方便且不失真需要對分析對象進行一定的簡化，選取導軌的最后一節(jié)(尾座頂尖部分)以及其上的頂尖裝置為研究對象。首先，建模過程中忽略了小孔、凸臺等對分析結(jié)果影響不大的結(jié)構(gòu)要素。設(shè)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(shè)置邊界條件進行ANSYS靜力學分析，得到變形、應(yīng)力等參量經(jīng)后處理得到最終的分析結(jié)果，并根據(jù)結(jié)果進行優(yōu)化。

該研究部位受力分析示意圖(即力學模型)如圖1所示。

圖1 研究對象整體受力分析示意圖

圖1中各參數(shù)所示意義如下：2400kN為頂尖力，中間3個方向的力是由實際工況中的切削力得到的(實驗及分析過程在此不作詳細論述)，G為工件重力。后續(xù)分析時所加載的力是圖1各力向兩個頂尖處簡化的結(jié)果。

為了使有限元分析仿真結(jié)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，操作時相對也比較繁瑣，所以可以先用三維建模功能比較強大的專業(yè)軟件Pro/E完成建模[1]，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， 這就對后續(xù)的分析處理造成了一定的困擾。正確導入的方法有很多，第1種方法是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；第2種方法是通過ANSYS所提供的專用接口將ANSYS集成到Pro/E中，但是要注意軟件的兼容性，比如ANSYS 14和Pro/E 4.0就不能進行有效集成。

將Pro/E軟件所繪制的三維模型導入ANSYS后進行網(wǎng)格的劃分，如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格的劃分

該研究部分劃分的網(wǎng)格情況如圖2所示，總共為64474單元、127041節(jié)點面。由于Frictional是一種可以法相分離，實現(xiàn)正常的接觸閉合和打開行為，具有正常的粘著/滑動摩擦行為，設(shè)定接觸面摩擦系數(shù)為0.15，這種接觸的方式主要用來研究接觸面的剛性，以及螺栓的變形情況。但是由于螺栓的固定方式采用了bonded，會導致螺栓連接處受到很大的剪力，所以計算出的等效應(yīng)力、變形普遍較實際情況較大。

2 模型邊界條件、求解及結(jié)果分析

2.1 加載和約束條件

此處研究對象是螺母的安裝位置可靠性，所以將有螺紋的地方，簡化為曲面，以便于計算并且增加了重力約束條件。導軌和螺栓需要進行材料屬性的設(shè)定，兩者材料分別為鑄鐵和結(jié)構(gòu)鋼[3-7]。螺母與導軌的接觸方式是Frictional，螺母與螺母的接觸方式是No Separation。螺栓連接方式是Bonded，固定約束為導軌底面。在一個螺母上添加240 t軸向力，具體加載和約束情況如圖3所示。

圖3 加載和約束條件

2.2 求解及結(jié)果分析

首先查看總變形云圖，本部分的總變形云圖、x方向變形云圖、y方向變形云圖、z方向變形云圖分別如圖4、圖5、圖6、圖7所示，根據(jù)變形云圖可以看出導軌、螺母的變形最大0.2365mm，x方向最大變形很小為0.07679mm，y方向最大變形為0.032 878mm，z方向最大變形為0.2348mm。

圖4 總變形云圖局部放大視圖

圖6 y方向變形云圖

圖7 z方向變形云圖

查看螺母的變形云圖如圖8所示，螺母的最大變形為0.2365mm。

圖8 螺母變形云圖

螺栓和銷釘?shù)膽?yīng)力云圖如圖9所示，由該圖可以看出螺栓和銷釘連接處最大的應(yīng)力為160MPa。

圖9 螺母應(yīng)力云圖

螺母的變形云圖如圖10所示，由該圖可以看出螺母的變形趨勢。螺母的等效應(yīng)力情況如圖11所示，由該圖可以看出，在螺栓與箱體的連接處等效應(yīng)力最大為160MPa左右。

圖10 螺母變形云圖

圖11 螺母等效應(yīng)力云圖

3 優(yōu)化策略及結(jié)論

把分析結(jié)果和實際情況相比較后發(fā)現(xiàn)，螺母和導軌的強度基本是足夠的，但是螺栓和銷釘比較危險，存在優(yōu)化的空間需要進一步進行優(yōu)化處理[8-9]。

根據(jù)上述分析可以看出螺母安裝位置受到240t的軸向力時是基本是可以承受的，經(jīng)過優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和之前的差別并不大，這說明原有設(shè)計比較合理、合適，優(yōu)化的空間較小，基本可以不改變原有結(jié)構(gòu)。

在計算過程中螺栓和銷釘同時承受軸向力，最大應(yīng)力為160MPa，經(jīng)過實地測試，實際中承受軸向力的主要是銷釘，這會導致其實際受力較160MPa還要大，這就存在設(shè)計隱患，需要對螺栓和銷釘進行一定的優(yōu)化，考慮到經(jīng)濟性和可操作性等諸多因素，較為簡便的辦法是更換材料，可以采用某些特殊材料替換原有材料。在更換材料后再次進行相關(guān)分析時發(fā)現(xiàn)基本可以滿足實際情況和設(shè)計要求，從而達到了預期的設(shè)計目的。

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

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

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

[4] 高耀東,等. ANSYS機械工程應(yīng)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(chǔ)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ANSYS13.0從入門到實戰(zhàn)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版，2011.

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

[9] 黃偉，劉光浩，唐滿賓，等. 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.

Reliability Analysis of Screw Mounting Location Based on ANSYS

LIU Yanbo

(College of Mechanicsal Engineering，Shanxi Institute of Technology，Xi’an 710302, China)

Based on ANSYS software analysis platform and static theoretical analysis technology and with, finite element analysis as core, this paer uses Pro / E to build the model and imports ANSYS for analysis. Both softwars are used to do the reliability analysis and study of the screw mounting position of the machine bed. Its deformation, stress, strain and other physical quantities are analyzed and discussed. Comparing the difference before and after its optimization, the structure optimization strategy is proposed, which is used to optimize the product structure design and speed up the design process.

reliability analysis; structural optimization; FE analysis

劉彥伯(1982-)，男，陜西咸陽人，講師，主要從事機械設(shè)計與制造方面的教學和研究工作。

TP391.7

A

1671-5276(2015)05-0116-03

2014-02-12