基于ANSYSWorkbench的车床主轴振动有限元分析
摘要
车床主轴是车床的主要部件，车床加工精度与否，与其运动特性有着密不可分的关系。随着现代制造业的不断发展，机床的生产与加工出现了许多现代化的因素，这让机床的性能有了很大的提升。车床主轴在车床加工过程中作为关键部件，其在工作过程中所产生位移大小对工件的精密程度影响比重最大。在车床启动过程中，没有共振的情况下，影响占30%~40%，存在外部激励且发生共振的情况下，影响占60%~80%。因此，车床主轴的振动特性的分析是十分有必要的，这将为车床的生产加工和优化设计提供数据依托和理论依据。
首先，查阅国内外相关文献，了解机床主轴部件的振动特性现状，并对其进行分析，进一步掌握机床主轴部件的发展历程，理清课题研究方向，找到课题研究方法，提炼研究课题的主要研究内容，阐述了课题研究的现实意义。
其次，对车床主轴进行有限元模型的建立。通过三维软件Soildworks进行建模，并对三维模型进行简化；观察记录车床工作时的情况，并且对车床进行受力分析；导入AnsysWorkbench中网格划分。
最后，对车床主轴进行静力学分析以及模态分析。首先，对三维模型进行网格划分，随后，在Ansys模块中，进行接触设置、分析设置、约束与载荷，仿真分析后得到主轴的总变形图、应力分布图；对主轴模态分析，得到主轴前6阶的振型图和固有频率。
目录
TOC\o1-3\h\z\u摘要 I
1绪论 1
1.1研究意义与背景 1
1.2车床主轴国内外研究现状 2
1.2.1国外研究现状 2
1.2.2国内研究现状 3
2有限元基本理论基础 5
2.1有限元的发展 5
2.2有限元分析的基本解题步骤 6
2.3ANSYS软件的主要功能和特点 6
3车床主轴三维建模 8
3.1Soildworks软件介绍 8
3.2车床主轴的三维模型及相关参数 11
4车床主轴有限元分析 13
4.1有限元分析理论 13
4.2模型简化 13
4.3车床主轴网格划分及边界条件 14
4.3.1网格划分 14
4.3.2接触设置及边界条件 15
4.4有限元仿真结果分析 17
5车床主轴模态分析 18
5.1模态分析方法的概念与优点 18
5.1.1模态分析概念 18
5.1.2模态分析优点 18
5.2模态分析的理论 19
5.3模态分析 20
6总结与展望 24
6.1总结 24
6.2展望 24
参考文献 25
致谢 28
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绪论
制造业是衡量国家综合实力的有效指标，在全球范围内具有广泛的关注度，世界各国在发展制造业这一问题上，倾注了大量心血，纷纷投入大量资源以发展制造业。几乎全球所有步入发达行列的各国，都拥有超高水平的制造技术。新时代以来在国家政策的支持下，中国的制造业飞速发展，取得前所未有的瞩目成绩，但是较之世界上其他发达国家的制造业的先进水平而言，我们还有有着较大差距。我们制造业虽然蓬勃发展，但距离高端市场还有很长的一段路要走，对于我国的中高端需求，现阶段还较难满足。故而，党中央高度重视制造业所面临的窘破现状，从全局出发，提出了《中国制造2025》计划[1]。在我国，装备的生产加工水平制约着我国国民经济的发展，应该以装备制造业为主要发展项目，提高机床的生产性能和效率，从而达到提高国民经济的作用，在很大程度上决定着一个国家装备制造业的发展状况。
经过几十年的发展，我国虽然已经具备了生产各类机床的能力，但是与世界上其他先进国家生产的机床相比，还有一段路要走。中国虽然是机床消费大国，但是在生产机床的技术问题上仍然有长足的进步空间。主要体现在机床精度、刚度、抗振性和可靠性等方面。实际上，造成这些现状的原因，仍是我国在机床设计理论、技术以及方法上与先进水平存在着差距。以主轴结构优化为例，尽管也采用了有限元分析及结构优化，但针对动静刚度同时优化的成果非常有限，这就是国产机床在整机（核心部件）刚度和抗振性指标上落后于进口机床的主要原因。本文以车床主轴为研究对象，对其进行静力学分析、模态分析，探寻车床主轴的振动特性，为车床的生产加工和优化设计提供数据支撑和理论依据。
研究意义与背景
机床工业可以称得上是一个国家的基础性工业，各个工业部门劳动生产率的提高与机床工业的发展有着高度的相关性，工业自动化也受机床工业发展的直接影响，可以说机床工业是国家工业的基础。随着科学技术的快速发展，以及生产技术的长足进步，机床工业蓬勃发展，并逐步向着高准确性、高生产效率的方向