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机床主轴系统静动态分析及优化设计

作　者: 马士垚
导　师: 张进国
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 主轴 轴承 静态特性 动态特性 有限元
分类号: TG659
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 265次
引　用: 3次
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内容摘要


现代数控机床综合应用机械设计与制造工艺、计算机自动控制技术等技术领域中的最新成果,正朝着高速度、高精度、复合化、柔性化等趋势发展。机床主轴系统的静、动态特性是影响机床加工精度的主要原因之一,因此将有限元软件应用于机床的设计过程,有助于提高机床的效率与设计水平。本文运用有限元分析软件ANSYS对主轴系统进行分析,具体包括:(1)在ANSYS中建立了主轴系统所用角接触球轴承的三维模型,对其进行接触分析,得到了轴承各滚动体在承受不同载荷下的位移云图,绘出了轴承的刚度曲线,并将分析得到的刚度结果与赫兹接触算法计算所得到的刚度进行了比较。绘出了轴承预紧力与轴承刚度之间的关系曲线。(2)建立了主轴系统的三维有限元模型,用combin14单元模拟轴承单元,对主轴系统进行了静力学分析,得到了主轴的静刚度。(3)对主轴系统进行了动力学分析,包括模态分析与谐响应分析。模态分析得到了主轴的四阶固有频率,计算了主轴的临界转速。谐响应分析得到了主轴轴身各点位移随频率变化的关系曲线。(4)对主轴系统进行了优化设计。建立主轴系统的参数化有限元模型,以主轴体积为优化目标函数,以主轴各阶梯段的长度、外圆半径为设计变量,以主轴前端静态变形、一阶固有频率为状态变量,对主轴系统进行优化设计,使主轴系统质量最轻,并具有良好的静、动态性能。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-14
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-12
    1.2.1 有限元方法的发展概况  10
    1.2.2 有限元方法在机床方面的应用  10-12
  1.3 主要研究内容及研究方案  12-14
第2章 轴承刚度的分析  14-35
  2.1 有限元法的要点  14-17
    2.1.1 弹性力学基本方程的矩阵形式  15-17
  2.2 接触问题—赫兹理论  17-20
    2.2.1 弹性赫兹理论  17-18
    2.2.2 轴承承载滚动体的载荷分布计算  18-19
    2.2.3 轴承的刚度计算公式  19-20
  2.3 接触问题的有限元理论  20-23
    2.3.1 接触问题的表面非线性  20-21
    2.3.2 有限元法求解接触问题的基本过程  21
    2.3.3 面-面接触分析概述  21-22
    2.3.4 重要参数  22-23
  2.4 角接触球轴承刚度的有限元分析  23-34
    2.4.1 确定建模方案  23
    2.4.2 网格划分  23-24
    2.4.3 创建接触对  24-25
    2.4.4 定义约束条件  25
    2.4.5 加载  25-26
    2.4.6 分析结果  26-30
    2.4.7 轴承的刚度  30-33
    2.4.8 预紧力对轴承刚度的影响  33-34
  2.5 本章小结  34-35
第3章 主轴系统的静态特性分析  35-45
  3.1 有限元法的静力问题  35-36
  3.2 主轴系统有限元模型的建立  36-42
    3.2.1 模型建立方案的确定与模型简化  36-37
    3.2.2 系统中各部分单元的选定及材料属性  37-38
    3.2.3 轴承单元的建立  38-39
    3.2.4 轴端径向力的计算  39-40
    3.2.5 建立主轴有限元模型  40-42
  3.3 主轴静态分析结果  42-43
  3.4 主轴强度较核  43-44
  3.5 本章小结  44-45
第4章 主轴系统的动态特性分析  45-53
  4.1 有限元法的动力学问题  45-46
  4.2 模态分析  46-49
  4.3 谐响应分析  49-52
  4.4 本章小结  52-53
第5章 主轴结构的优化设计  53-61
  5.1 优化设计的基本概念  53-54
  5.2 优化设计的数学模型  54
  5.3 参数化有限元模型  54-55
  5.4 优化方法的选择  55-56
  5.5 设计变量的筛选  56-59
  5.6 优化结果  59-60
  5.7 本章小结  60-61
结论  61-62
参考文献  62-66
攻读硕士期间发表的论文  66-68
致谢  68

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属切削加工及机床 > 程序控制机床、数控机床及其加工
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