基于ansys 的高速电主轴动力学有限元分析

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1、基于ANSYSWorkbench的高速电主轴动力学特性分析发表时间：2011-2-3版权所有：巫少龙张元祥关键字：电主轴动力学分析ANSYSWorkbench论文阐述了影响高速电主轴抗振能力的固有特性、动力响应和动力稳定性动力学特性。以高速、大功率的铣削加工中心电主轴为研究对象，采用ANSYSWorkbench有限元软件对电主轴进行模态分析，研究电主轴的振型、固有频率和临界转速，获得电主轴各阶频率和振型，指出主轴远离抗振性的频率要求以及前支承的刚度和阻尼对主轴系统的振动的影响。通过模态分析为进一步的动力学分析提供必要的依据。0引言高速电主

2、轴是高速机床的核心部件，它将机床主轴与变频电机轴合二为一，即将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件内部，也被称为内装式电主轴，其间不再使用皮带或齿轮传动副，从而实现机床主轴系统的“零传动”。其具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并改善了机床的动平衡，避免振动和噪声，在超高速机床中得到广泛应用。作为数控机床的核心功能部件，高速电主轴动态性能的好坏直接关系到机床的加工精度和可靠性，因此在设计时对其进行详细的动态特性研究具有重要的意义。机械系统运动部件的动力学特性研究，主要通过对运动部件进行模态分析来实现。它主要研究结构或部件的振动

3、特性(固有频率和主振型)，为动力学分析中的瞬态动力学分析、谐响应分析、谱分析提供基本的分析数据。通过动力学分析可以判断出电主轴转速是否合理，结构中有无薄弱环节，并可对其进行优化设计，使零部件满足机床对加工质量和加工精度的要求。随着数值计算方法的发展，有限元理论在工程分析领域的应用已非常成熟。目前，大多数机械系统的动力学分析主要通过有限元软件完成。ANSYSWorkbench是ANSYS公司推出的新一代有限元分析工具。ANSYSWorkbench提供了Windows风格的友好界面、与CAD的无缝接口技术、新一代的参数化建模工具，和领先的优化

4、技术，将CAE的易用性提高到一个新的高度。ANSYSWorkbench功能强大，适用领域广泛，除了可进行静力分析之外，还提供了强大的动力分析工具，可以很方便地进行模态分析、谐响应分析等各种动力学分析。本文应用ANSYSWorkbench有限元软件对某高速加工中心的电主轴进行模态分析，研究电主轴的振型、固有频率和临界转速，并提出改善电主轴动态特性的措施。1高速电主轴动力学特性的评价指标机械设计中，提高机械结构的抗振能力，是适应当前机器向高质量、高速度、高效率、低成本和低噪声发展的重要措施之一。高速电主轴的抗振能力取决于它的动力学特性，包括：

5、固有特性、动力响应和动力稳定性。1．1固有特性固有特性是评价动力学特性的第一个指标，具体说来高速电主轴的固有特性主要是指电主轴的临界转速和主振型。电主轴轴系由轴本身、安装在轴上的传动件、紧固件等各种零件以及轴的支承组成。激起轴系共振的转速，称为临界转速。当轴在临界转速或其附近运转时，将引起剧烈的振动，严重时造成轴、轴承以及轴上的零件破坏，而当转速在临界转速的一定范围之外时，运转即趋平稳。对于电主轴，转速和频率的关系为：其中，n为转速(rpm)，f为频率(Hz)。临界转速的大小与轴的材料、几何形状、尺寸、结构形式、支承情况、工作环境以及安装

6、在轴上的零件等因素有关。要同时考虑全部影响因素，准确计算临界转速的数值是困难的，也是不必要的。实际上，常按照不同的设计要求，根据主要影响因素，建立响应的简化计算模型，求得临界转速的近似值。1．2动力响应动力响应是评价机械结构动力学特性的关键指标。根据不同的需要，常用的描述结构动力响应的指标有三个：(1)在分析机械振动引起结构的动态位移，及其对机器工作能力的影响时，使用动刚度或动柔度；(2)在分析机械振动对人体感受的舒适性，以及振动引起噪声的大小时，使用机械阻抗或机械导纳；(3)在分析机械振动引起结构的动态应力，以及结构的疲劳损伤时，使用动

7、态质量或机械惯性，也称为加速度阻抗或加速度导纳。当主轴部件受迫振动时，最主要的后果将是主轴前端带着刀具或工件一起振动而在加工表面上留下振纹，使工件的表面光洁度恶化。主轴部件对受迫振动的抵抗能力，主要决定于主轴前端在机床工作时产生的各种激振力作用下的振幅，其值越小抵抗能力越高。1．3动力稳定性机构的动力稳定性是指结构受到干扰后是否能够回到稳态的能力。一个机构的动力稳定性的好坏主要取决于系统的阻尼，一般情况下，如果机构中不包含负阻尼则系统的稳定性是好的，因为由于干扰而产生的振动能量最终会被系统的正阻尼消耗掉，系统最终会趋于稳定。影响机构的稳定

8、性的因素很多，如油膜失稳、内耗失稳、干摩擦碰摩失稳等等。由于系统的阻尼在本文的分析研究中难于量化，因此关于机构的动力稳定性的问题，在本文中不作深入的探讨。2高速电主轴有限元模型的建立本文以高速