ANSYS下机床主轴结构的设计分析

摘 要：本文利用ANSYS参数化设计语言为机床的主轴结构建立有限元模型，然后利用ANSYS软件对有限元模型进行分析，针对主轴的重量、外径、支承跨距等结构参数进行优化计算，设计出最合理的机床主轴结构。

关键词：ANSYS；机床主轴；结构设计

机床的主轴是控制机床运转的核心部件之一，机床主轴结构设计会影响整个机床运转的性能。机床的主轴结构一般都是空心的阶梯状主轴，使用到了两个支承或者三个支承。主轴上一般装有传动装置，通过主轴运动带动其他装置的运转。主轴前面部分装有刀具，对待加工的工件进行切削。所以，机床主轴结构的设计是机床设计的重要部分。本文以最常见的机床主轴结构为研究目标，利用ANSYS参数化设计语言为机床的主轴结构建立有限元模型，然后利用ANSYS软件对有限元模型进行分析，经过一系列计算，最终得到最优机床主轴结构[1]。

1ANSYS软件工作原理与流程

1.1ANSYS软件工作原理

机床主轴的结构设计一般是以整体质量最轻或者刚度最好为出发点，尽量将支承跨度、轴径等控制在合理范围。由于机床的主轴结构极为复杂，而且当前的工件加工要求越来越高，对于机床的性能要求也越来越高，传统的机床主轴结构受力分析方法已经无法满足当前的需求，所以急需新的受力分析方法来参与机床主轴的结构设计。

有限元分析法是目前比较先进的结构分析方法，它能从机械结构的受力、形变以及自振等方面分析出机械内部结构最佳设计方案。而最佳设计方案是指在满足一切设计基本要求的条件下，将总成本投入控制在最小。有限元分析法是使用多次迭代的算法，经过了许多次计算，所以分析得到的结果可靠程度比较高。

ANSYS软件是一种集流体、电场、磁场、声场等分析与一题的大型分析软件，其应用的领域包括航空航天、汽车交通、土木工程、生物医学、日用家电等领域，分析类型包括结构静力学分析、结构动力学分析、结构非线性分析、流体动力学分析、压电分析等等。本文对某卧式车床参数化模型进行静力学分析，建立起设计变量、状态变量以及目标函数三者联系的分析模型，以设计变量为自变量，状态变量控制设计变量数值，目标函数值为因变量。通过调节状态变量，不断调节自变量的大小，通过迭代计算得到目标函数值，当目标函数值最小时，设计变量值达到最优[2]。

1.2ANSYS软件工作流程

（1）建立参数化模型：要对主轴结构进行分析，首先必须要建立一个参数化模型。利用ANSYS参数化设计语言以设计变量为参数建立参数化模型；

（2）对参数化模型分析求解；

（3）将参数化模型的分析结果反馈给状态变量及目标函数；

（4）通过控制状态变量，调节设计变量的数值，获得新的分析结果，然后拿新的分析结果与上次分析结果相比较，确认本次目标函数是否收敛，如果收敛，说明目标函数数值已经达到最佳设计数值；如果没有收敛，则按照前面步骤进行循环，直到目标函数收敛为止。

2机床主轴结构设计

2.1建立参数化模型

在机床主轴结构设计时，重点关注的因素有两个：一个是主轴自身重量，还有一个就是主轴伸出段的挠度。对于主轴自身重量，可以将主轴自身重量的最小值作为目标函数求解的最终目标，对此，可以先选好主轴的材料，确定好主轴材料的密度，只需要将主轴的体积作为目标函数，就可以求解得到主轴的重量。设计变量为主轴的外径D、支承跨度L、齿轮到前支承的距离X、以及孔径a，建立参数化模型。

2.2ANSYS软件静力学分析

在参数化模型构建好以后，利用ANSYS软件对其进行静力学分析。首先给主轴前面部分的节点上施加大小为10000N的压力，传动装置对主轴的压力为2000N，然后对模型的状态条件实施控制，进行结构的分析，最终得到主轴静力学分析示意图，如图1所示。

从图中可以看出主轴前面部分的水平位移为0.0635mm，主轴的静刚度经过计算，约为157N/um[3]。

2.3多次迭代获得最佳结构设计参数

对分析结果进行多次迭代计算，最终得到最佳结构设计参数：主轴前部分的水平位移距离为0.05mm，刚度值为197N/um，主轴体积为0.002m3，支承距离为92mm，主轴最大应力为16MP，悬伸长度为90mm，支承跨度为300mm。

结束语

将ANSYS软件系统应用于机床主轴结构的设计，可以使得机床主轴结构的参数大大优化，结构设计更加合理。通过建立参数化模型，对参数化模型进行分析，再用多次迭代计算，获得最优目标函数，节约了机床主轴设计材料，降低了机床主轴设计成本。

参考文献：

[1]王红兵，敖瑞金，黄汉琨.基于ANSYS的CKS6125数控机床主轴的模态分析[J].机械研究与应用，2011，24（05）：30-31+34.

[2]侍红岩.基于ANSYS的机床主轴优化设计[J].湖南农机，2013，40（07）：84-85.

[3]赵建峰，魏锋涛，宋俐.基于ANSYS的机床主轴箱结构优化设计[J].机电产品开发与创新，2010，23（05）：140-142.