多约束状态下重载机械式主轴有限元建模及模态分析_蔡力钢

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1、第48卷第3期机械工程学报Vol.48No.32012年2月JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGFeb.2012DOI：10.3901/JME.2012.03.165多约束状态下重载机械式主轴有限元*建模及模态分析蔡力钢马仕明赵永胜刘志峰杨文通(北京工业大学机械工程与应用电子技术学院北京100124)摘要：重载机械式主轴是重型数控(Computernumericalcontrol,CNC)机床摆角铣头的关键功能部件，具有大功率、大扭矩特点，用于加工大型复杂曲面零件。其有限元建模及模态分析的准确性是主轴进一步动力学分析的基础

2、。基于Timoshenko梁理论建立重载机械式主轴的运动方程，采用有限元法得到主轴的矩阵形式的动力学方程；在有限元软件中分别以实体单元和梁单元对主轴进行有限元建模，对轴承以Combin14弹簧单元建模，并以自由模态和实际工况约束条件下进行重载机械式主轴的模态分析；根据轴承型号计算轴承的径向刚度，作为重载主轴模态分析中弹簧单元的刚度参数；进行主轴锤击模态试验，验证重载机械式主轴多约束状态下模态分析建模及仿真结果的正确性。研究表明，把主轴考虑为Timoshenko梁单元和Beam188梁单元进行主轴有限元建模和模态分析时，结果更为准确，弹簧约束梁方式

3、更符合实际情况。研究结果为重载机械主轴系统的进一步优化设计和精度控制提供依据。关键词：重载主轴有限元建模模态分析约束中图分类号：TH113FiniteElementModelingandModalAnalysisofHeavy-dutyMechanicalSpindleunderMultipleConstraintsCAILigangMAShimingZHAOYongshengLIUZhifengYANGWentong(CollegeofMechanicalEngineeringandAppliedElectronicsTechnology,Be

4、ijingUniversityofTechnology,Beijing100124)Abstract：Theheavy-dutymechanicalspindleisakeyfunctionalcomponentofthemillingheadofheavycomputernumericalcontrol(CNC)machinetool,whichisusedforprocessingthelargeandcomplexpartswithfree-formsurface.Thespindlehasthecharacteristicsofhight

5、orqueandhighpower.Theaccuracyoffiniteelementmodelingandmodalanalysisofthespindlearethebasisoffurtherdynamicanalysisofspindle.Thekineticequationofheavy-dutymechanicalspindleisestablishedbasedonTimoshenkobeamtheory,anddynamicequationsofspindleinmatrixformaregainedbyfiniteelemen

6、tmethod.Spindleismeshedbysolidelementandbeamelementrespectivelyinfiniteelementsoftware,andbearingismeshedbyCombin14springelement.Themodalanalysisofheavy-dutymechanicalspindleisperformedintheboundaryoffreeandactualconstraints.Radialstiffnessofbearingiscalculatedbasedonbearingt

7、ype,whichisthestiffnessparameterofspringelementinspindlemodalanalysis.Modalexperimentofspindlebyhammerexcitingisperformed,andexperimentresultsagreewellwiththesimulatedresultsofspindleundermultipleconstraints.TheresearchresultsshowthattheTimoshenkobeamandBeam188aremoreaccurate

8、andthecaseofbeamconstrainedbyspringisaccordingwiththerealityforthehe