基于ANSYS的主轴轴承跨距的优化设计.pdf

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1、．现代设计与先进制造技术·汤本金孟凡富基于ANSYS圭垦堕堕兰基于ANSYS的主轴轴承跨距的优化设计汤本金，孟凡富(江苏和谐科技股份有限公司，江苏南京210029)摘要：介绍了ANSYS优化设计的方法，并以主轴模态分析的一阶固有频率为目标函数，对CKH1450数控车铣中心主轴的轴承跨距进行了优化设计，从而提高了主轴系统的刚度，为主轴系统的热补偿提供了参考。关键词：轴承跨距；优化设计；ANSYS中图分类号：TH122文献标识码：A：史章编号：1672—1616(2011)07—0031—03主轴组件是机床的主要组成部分之一。主轴消息机制、界面驱动和运行应用程序等l2

2、J。组件通常由主轴、轴承、安装在主轴上的传动件和基于APDL有限元分析过程的设计优化包含一些紧固件等组成，其中轴承是对主轴组件的性能下列基本要求。有很大影响的元件。而轴承部件最佳支承跨距的a．设计变量(DVs)：设计过程中需要不断调整计算，是机床部件设计讨论最多的基本问题之赋值的没计变量参数。每个设计变量可能有上下一_lj。本文应用大型有限元软件ANSYS，以主轴限，用于规定设计变量的取值范围。常见的设计变模态分析的一阶固有频率为目标函数，对主轴的轴量如机构某部分的宽度、高度等几何尺寸。承跨距进行优化设计。b．状态变量(SVs)：设计要求满足的约束条件优化设计的一

3、般步骤如下：变量参数，是设计的因变量，是设计变量的函数。a．根据工程实际问题建立数学模型。数学模状态变量也可能会有上下限，也可能只有上限或下型包括设计变量、约束条件和目标函数。限。常见的状态变量如应力不能超过许用应力、变b．针对数学模型选择一个或几个最优化的算形不能超过规定大小等。法。c．目标函数(ObjectiveFunction)：设计中极小c．利用计算机进行计算，寻求最佳的设计方化的变量参数，也必须是设计变量的函数，即改变案。设计变量的数值将改变目标函数的数值。在AN—d．对结果进行分析整理。SYS优化程序中，只能设定一个目标函数。常见的目标变量如质量、费用

4、、应力、变量等，或者某种导1ANSYS的优化设计出结果如方差最小、平均值最小。优化设计属于ANSYS软件的高级应用。在ANSYS提供了2种优化方法，即零阶方法和ANSYS中所有可以参数化的ANSYS选项都可以一阶方法。除此之外，用户可以利用自己开发的外用来进行优化设计。因此进行优化设计就必须参部优化算法替代ANSYS本身的优化算法进行优数化建模，这与ANSYS的参数化设计语言化设计。(APDL)是分不开的。零阶方法(即直接法)是最常用的优化方法，使APDL是ANSYSParametricDesignLanguage用所有因变量(状态变量和目标函数)的逼近，可以的缩

5、写，即ANSYS参数化设计语言，它是一种类有效地处理绝大多数的工程问题。本文便是采用似FORTRAN的解释性语言，提供一般程序语言零阶方法进行优化。的功能，如参数、宏、标量、向量和矩阵运算、分支、一阶方法(即间接法)使用偏导数，即使用因变循环、重复以及访问ANSYS有限元数据库等，另量的一阶偏导数。此方法精度很高，尤其是在因变外还提供简单界面定制功能，实现参数交互输人、量变化范围很大，设计空间也相对较大时，但是占收稿日期：2011—0225作者简介：汤本金(1962一)，男，安徽全椒人，江苏和谐科技股份有限公司研究员级高级I：程师，主要从事科技项目bfx,#b投资

6、研究工作。322011年4月中国制造业信息化第4O卷第7期用的机时较多。与零阶方法相比，一阶方法计算量大，但结果精确。然而精度高并不能保证所得的就是最佳解。2主轴轴承跨距的优化设计ANSYS软件的优化分析设计必须在相应的结构、热态或模态等简单分析的基础上进行，优化分析与简单分析不同的是需要参数化建模，并在简单分析的后处理中设定相应的优化参数和状态参数，并生成优化文件。本文所研究的主轴为一个结构中空的复杂的阶梯轴，考虑到主轴的受力情况，在主轴的前端用图3一阶频率和目标函数与优化序列号的关系曲线3个接触角为25。的角接触球轴承支承，后端用2个接触角为15。的角接触球轴

7、承支承，其结构简图如图1所示。一一i／，＼＼／＼图1主轴组件的结构简图本文对主轴的刚度优化，选择在模态分析的基础上进行。首先，使用空心轴的BEAM23单元建立主轴，针对不同轴颈的主轴段，选用不同的实参数，应用COMBIN14单元对主轴轴承进行模拟_3j。图4B】和B4与优化序列号的关系曲线为了方便参数化，把轴承段简化成相同的轴径。优表(见表1)。从表1中可以看出，序列号11的参化分析的结构简图如图2所示。图中B为主轴前数就是最终得到的优化参数。前后轴的跨距为：端面到第1个轴承中点的距离，B2，B3，B4，B5依表1跨距优化输出序列表此类推。lIII且ilr{⋯⋯⋯

8、一●l{⋯