基于ANSYS的某机床主轴基座的模态分析

【摘 要】用模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型，固有频率和振型是承受动载荷结构设计的重要参数。故以该主轴基座为研究对象，利用三维软件SolidWorks建立了其三维模型，并使用有限元分析软件ANSYS对基座进行模态分析。分析得到基座的前十阶固有频率远大于基座的振动源频率，主轴基座在工作过程中不会发生共振。

【关键词】基座；ANSYS；模态分析；固有频率

【Abstract】Modal analysis is used to determine the natural frequency and vibration mode of a structure， which are significant parameters in under dynamic load structure design. With the spindle base as the research object， SolidWorks is used to build a 3D modal and the ANSYS is adopted to make a modal analysis on foundation support. The result of this research shows that the first ten natural frequencies are much greater than the b the vibration source frequency and the Spindle base will not produce resonance when it works.

【Key words】ANSYS； Modal analysis； Natural frequency

0 引言

在进行结构设计时，仅靠单纯的静态设计和经验设计已不能完全满足目前工程的要求，必须考虑各种动态因素，并对结构进行详细的动力分析，以达到抗振、安全、可靠的目的。

用模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型，固有频率和振型是承受动载荷结构设计的重要参数[1]。

本文运用三维软件SolidWorks和有限元软件ANSYS对某超声机床主轴基座进行模态分析，根据分析的结果提出优化策略。本研究对实现车床床身动态特性优化和指导实际生产都具有重要意义。

1 几何模型建立

模态分析是建立有限元模型基础之上，建立有限元模型有两种方法：（1）对于比较简单的模型，采用ANSYS有限元软件自带功能建立有限元模型；（2）对于结构复杂的模型，一般先采用三维建模软件建立几何模型，然后将几何模型导入到ANSYS有限元软件中完成有限元模型[2]。

由于主轴基座机构复杂，故本文采用三维建模软件SolidWorks进行结构件的几何建模。为了减少计算机工作量、提高工作效率，同时又不失精度，在建模时对模型进行以下简化：（1）忽略一些尺寸较小且不作为主要承力部件以及不会影响机床整体强度和刚度的部位，如螺纹孔、线路孔等；（2）将部分离应力集中区域较远的圆弧过渡简化为直角，而且一些在工艺上需要的倒角、拔模斜度等都不考虑。SolidWorks建立的主轴基座几何建模如图1所示。

图1 主轴基座几何模型

2 ANSYS模态分析

ANSYS软件作为一个大型通用有限元分析软件，能够用于结构、热、流体、电磁、声学等学科的研究，广泛应用于土木工程、地质矿产、水利、铁道、汽车交通、国防军工、航天航空、船舶、机械制造、核工业、化工、轻工、电子、日用家电和生物医学等一般工业及科学研究工作。由于各专业之间可以互相兼容，因此ANSYS极大地提高了工作人员的工作效率，是现代工程设计人员必不可少的工具之一[3]。

ANSYS的模态分析过程包括三大步骤：建立模型、加载求解和后处理[4-5]。

2.1 建立模型

先将SolidWorks建立的几何建模以Parasolid格式保存[2]，并将其导入到ANSYS；而后将导入的线框模型进行修复以形成几何实体模型建立。如要建立有限元模型还必须进行定义材料属性、实常数和材料单元类型属性、划分网格等步骤。

由于基座为实体复杂结构，故选用Solid45为有限元模型网格划分时单元。而主轴基座所用材料为45#钢，其弹性模量、泊松比和密度基本参数如表1所示。

表1 主轴基座材料基本参数

网格划分产生的单元数量直接影响计算量和计算精度，本次采用自由（Free）网格划分，并使用Global控制单元大小，并对局部细化处理。经网格划分得到机床主轴基座的有限元模型如图2所示，共生成了12399节点和55547单元。

图2 主轴基座有限元模型

2.2 加载及求解

本文采用模态分析中的分块法（BlockLanczos）进行模态分析求解，在机床实际工作过程中，主轴的转速一般不超过20000r/min，即主轴的频率为334Hz以内，故取前10阶的模态及固有频率。

对该机床装配分析可知，主轴基座通过采用联接件将底面固定，因此在ANSYS定义载荷时将基座底端面三个方向的自由度（UX，UY，UZ）全部被约束。最后通过CurrentLS方式对基座进行模态分析求解计算。

2.3 查看结果

在ANSYS后处理模块中查看计算所得基座前十（下转第27页）（上接第9页）阶模态的固有频率，基座的前十阶固有频率如表2所示。

表2 基座前十阶固有频率

从分析的结果可以看出基座的1阶固有频率为860.29Hz，而机床主轴的频率不超过334Hz，因此基座的固有频率远大于基座的振动源主轴的频率，所以在工作过程中不会发生共振。由于在模态分析前已经进行了结构静力分析且符合要求，因此基座结构设计达到预期要求。

3 结论

1）本文采用三维设计软件SolidWorks建立了基座的几何模型；

2）通过对基座进行模态分析，得出其前10阶固有频率和振型；

3）通过分析可知，基座的固有频率远大于基座的振动源主轴的频率为334Hz，因此在工作过程中不会发生共振，基座结构设计符合要求；

4）与传统的设计方法相比，用有限元的方法来进行结构件的设计，可大幅度提高设计的合理性和经济性。

【参考文献】

[1]张洪信，管殿柱.有限元基础理论与ANSYS11.0应用[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]沈玺，方鹏，宋小肯.浅谈ANSYS与SolidWorks的数据交换[J].装备制造技术，2006（5）.

[3]傅志芳，华宏星.模态分析理论与应用[Ml.上海：上海交通大学出版社，2000.

[4]ANSYS工程应用教程机械篇[Ml.北京：中国铁道出版社，2003.

[5]ANSYS10.0工程分析实例详解[Ml.北京：人民邮电出版社，2003.