《數(shù)控機床滾珠絲杠的有限元分析》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《數(shù)控機床滾珠絲杠的有限元分析（64頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

I畢業(yè)設計論文數(shù)控機床滾珠絲杠的有限元分析學生姓名： 學號： 學 院： 機械工程與自動化學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指導教師： 年 06 月機械工程與自動化學院II數(shù)控機床滾珠絲杠的有限元分析摘要滾珠絲桿副是一種在絲杠和螺母之間以滾珠為滾動體的新型螺旋傳動元件,它具有許多良好的機械傳動性能,是機床進給系統(tǒng)中十分重要的部件，然而傳統(tǒng)的解析方法難以完成精確而全面的計算和分析，因此必須對絲杠進行靜力學和動力學研究。本文討論了如何運用先進的有限元分析軟件 ANSYS，對數(shù)控機床滾珠絲杠進行靜態(tài)分析和模態(tài)分析，研究了絲杠的無阻尼自由振動沒得到了系統(tǒng)的固有頻率和振型，為滾珠絲杠的合理使用和靜態(tài)、動態(tài)性能的提高提供了可靠的依據(jù)。關鍵詞：滾珠絲杠，靜態(tài)分析，動態(tài)分析，有限元，ANSYSIIIThe Fnite Element Analysis of Ball ScrewAbstractIt is a ball screw between the screw and nut to a new type of rolling ball screw for the drive components. It has many good properties of mechanical transmission, machine tool feed system is a very important component. But traditional analytical methods Difficult to complete accurate and comprehensive calculation and analysis. So it is necessary screw the static and dynamics. This article discusses how to use the advanced finite element analysis software ANSYS, Ball Screw on the static analysis and modal analysis to study the undamped free vibration of the screw did not get the system natural frequency and vibration mode for ball screws the rational use of bars and static and dynamic performance improvement to provide a reliable basis.Key words: ball screw, static analysis, dynamic analysis, finite element, ANSYSIV目錄1. 緒論 .11.1 滾珠絲杠副的工作原理 11.2 滾珠絲杠副的特點 21.3 滾珠絲杠副的安裝 31.4 滾珠絲杠副的防護和潤滑 61.4.1 滾珠絲杠副的防護 61.4.2 滾珠絲杠副的潤滑 61.5 滾珠絲杠副在高速數(shù)控機床上的應用 61.6 ANSYS 介紹 71.6.1 CAE 的技術(shù)種類 71.6.2 ANSYS 軟件提供的分析類型 .101.6.3 ANSYS 的前處理模塊 .121.6.4 ANSYS 公司介紹 .142. 滾珠絲杠靜態(tài)分析 152.1 ANSYS 有限元靜態(tài)分析敘述 .152.1.1 實體建模和網(wǎng)格劃分 .152.1.2 約束處理 .152.2 具體分析步驟 .162.2.1 建立模型 .162.2.2 設置工作文件名和工作標題 .172.2.3 定義單元類型 .182.2.4 定義材料性能參數(shù) .192.2.5 用網(wǎng)格劃分器 MeshTool 將幾何實體模型劃分單元 222.2.6 加載和求解 .252.2.7 觀察結(jié)果 .272.2.8 結(jié)論 .333. 滾珠絲杠模態(tài)分析 34V3.1 ANSYS 有限元模態(tài)分析敘述 .343.1.1 實體建模和網(wǎng)格劃分 .343.1.2 約束處理 .343.2 具體分析步驟 .353.2.1 建立模型 .353.2.2 設置工作文件名和工作標題 .363.2.3 定義單元類型 .373.2.4 定義材料性能參數(shù) .393.2.5 用網(wǎng)格劃分器 MeshTool 將幾何實體模型劃分單元 413.2.6 加載和求解 .443.2.7 觀察結(jié)果 .473.2.8 結(jié)論 .55參 考 文 獻 56致謝 .5861. 緒論滾珠絲桿副是一種在絲杠和螺母之間以滾珠為滾動體的新型螺旋傳動元件，它的產(chǎn)生金和發(fā)展只經(jīng)歷了數(shù)十年的歷史，然而它在國內(nèi)外工程技術(shù)界人士中已引起了廣泛的興趣和重視。當今，滾珠絲杠副在機床工業(yè)、汽車工業(yè)、自動控制系統(tǒng)、航空工業(yè)、船舶工業(yè)和兵器工業(yè)等各個部門皆獲得了日益廣泛的應用。在此較短的時期內(nèi)，它之所以能夠得到如此迅速的發(fā)展和較普通的應用，主要的原因是由于滾珠絲杠副不可能具備的?？傊哂性S多良好的機械傳動性能。所以，滾珠絲杠副已成為非常有效的、普遍適用的螺旋傳動元件。此外，它又可以像滾動軸承那樣，有專業(yè)廠家組織生產(chǎn)和供應，向用戶提供一種新穎的配套元件，廣大用戶可根據(jù)各自的需要方便地進行選用和訂購。國外對滾珠絲杠副的研究主要是日本、瑞士、德國、美國和韓國，雖然相關的文獻并不多，但所研究的內(nèi)容基本涵蓋了絲杠副的結(jié)構(gòu)、運動學、接觸變形、剛度、載荷與壽命、摩擦、潤滑、噪聲、溫升和熱場分布等問題，基本上涵蓋了滾珠絲杠副的各個方面，但是在滾珠絲杠副的性能研究方面多是 20 年前的工作，基本上是以中低速滾珠絲杠副為主。今年國內(nèi)外學者對滾珠絲杠的靜態(tài)分形、動態(tài)分析驚醒了研究改進，一般是在定性分析的基礎上提出改進的方向。滾珠絲杠副有多種結(jié)構(gòu)形式。按滾珠循環(huán)方式分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類。外循環(huán)回珠器用插管式的較多，內(nèi)循環(huán)回珠器用腰型槽嵌塊式的較多。按螺紋軌道的界面形式分為單圓弧和雙圓弧兩種截形。由于雙圓弧截形軸向剛度大于單圓弧截形，一般普遍采用雙圓弧截形的絲杠。按預加負載形式分，可分為單螺母無預緊、單螺母變位導程預緊、單螺母加大鋼球徑向預緊、雙螺母墊片預緊、雙螺母差齒預緊、雙螺母螺紋預緊。數(shù)控機床上常用雙螺母墊片式預緊，其預緊力一般為軸向載荷的 1/3。本文采用 ANSYS 有限元軟件，建立滾珠絲杠的有限元模型，加載求解，進行靜力學分析和動力學分析，為改善滾珠絲杠結(jié)構(gòu)參數(shù)提供仿真實驗數(shù)據(jù)。1.1 滾珠絲杠副的工作原理7滾珠絲杠副的工作原理如圖 1.1.1 所示。滾珠絲杠副是在絲杠和螺母之間填入適量的滾珠，使絲杠與螺母之間有滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的絲杠傳動。滾珠絲杠副在機械傳動中的作用，同樣是可以將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，也可以將直線運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。根據(jù)絲杠和螺母運動的組合情況，其傳動方式也是多種多樣的。圖 1.1.1 工作原理圖滾珠絲杠副一般是由絲杠、螺母、滾珠及滾珠循環(huán)返回裝置四個部分組成。滾珠絲杠副就是指在具有螺旋槽的絲杠與螺母之間，連續(xù)填滿滾珠作為中間體的螺旋傳動。其工作原理如下：當螺母轉(zhuǎn)動時，在絲杠與螺母間布置的滾珠一次沿螺紋滾道滾動，同時滾珠促使絲杠（或螺母）作直線運動。為了防止?jié)L珠沿螺紋滾道滾出，在螺母上設有滾珠循環(huán)返回裝置（反向器） ，構(gòu)成一個滾珠循環(huán)通道。借助于這個返回裝置，可以使?jié)L珠沿滾道面運動后，經(jīng)通道自動地返回到其工作的入口處，從而使?jié)L珠能在螺紋滾道上繼續(xù)不斷地參與工作。為了消除間隙和提高傳動精度及剛度，滾珠螺母常由兩端組成。1.2 滾珠絲杠副的特點滾珠絲杠副與滑動絲杠副比較，它以滾動摩擦代替了滑動摩擦，因此，具有一下特點：（1）摩擦損失小、傳動效率高8由于滾動絲杠副的摩擦損失小，其傳動效率可達 90%-96%，約為滑動螺旋機構(gòu)效率的 2-3 倍。（2）磨損小、壽命長通常，滾珠絲杠副的主要零件，如絲杠、螺母及滾珠都是經(jīng)過淬硬的，并有很低的表面粗糙度：而且滾動摩擦的磨損很小，因而具有良好的耐磨性，即其精度保持性能好，工作壽命長。（3）軸向剛度高由于滾珠絲杠副可以完全消除傳動間隙，而不致影響絲杠運動的靈活性，因而可以獲得較高的軸向剛度。通常，可以通過預緊來提高軸向剛度。（4）摩擦阻力小、運動平穩(wěn)由于是滾動摩擦，動、靜摩擦系數(shù)相差較小，其摩擦阻力幾乎與速度無關，而且靜止摩擦力極小，啟動力矩與運動力矩近于相等。因而靈敏度高，運動平穩(wěn)，啟動是無顫動，低速傳動是無爬行現(xiàn)象。（5）不自鎖、具有傳動的可逆性由于滾珠絲杠副沒有自鎖能力，故具有傳動的可逆性。當它用于垂直升降傳動系統(tǒng)時，必須增設自鎖裝置或制動裝置，以防止產(chǎn)生傳動。由于滾珠絲杠副具有上述有點，所以它日益廣泛地應用于精密機械、機床、汽車、船舶、火炮、航空、航天和紡織等工業(yè)部門。1.3 滾珠絲杠副的安裝數(shù)控機床的進給系統(tǒng)要獲得較高的傳動剛度，除了加強滾珠絲杠螺母本身的剛度之外，滾珠絲杠正確的安裝及其支承的結(jié)構(gòu)剛度也是不可忽視的因素。螺母座及支承座都應具有足夠的剛度和精度。通常都適當加大和機床結(jié)合部件的接觸面積，以提高螺母座的局部剛度和接觸強度，新設計的機床在工藝條件允許時常常把螺母座或支承座與機床本體做成整體來增大剛度。為了提高支承的軸向剛度，選擇適當?shù)臐L動軸承也是十分重要的。國內(nèi)目前主要采用兩種組合方式。一種是把向心軸承和圓錐軸承組合使用，其結(jié)構(gòu)雖簡單，但軸向剛度不足。另一種是把推力軸承或向心推力軸承和向心軸承組合使用，其軸向剛度有了提高，但增大了軸承的摩擦阻力和發(fā)熱，而且增加了軸承支架的結(jié)構(gòu)尺寸。近面來國內(nèi)外的軸承生產(chǎn)廠家已生產(chǎn)出一種滾珠絲杠專用9軸承，這是一種能夠承受很大軸向力的特殊向心推力球軸承，與一般的向心推力球軸承相比，接觸角增大到 60。 ，增加了滾珠的數(shù)目并相應減小滾珠的直徑。這種新結(jié)構(gòu)的軸承比一般軸承的軸向剛度提高了兩倍以上，而且使用極為方便，產(chǎn)品成對出售，而且在出廠時已經(jīng)選配好內(nèi)外環(huán)的厚度，裝配時只要用螺母和端蓋將內(nèi)環(huán)和外環(huán)壓緊，就能獲得出廠時已經(jīng)調(diào)整好的預緊力。滾珠絲杠副安裝方式通常有以下幾種：1) 一端固定——一端自由。絲杠一端固定，一端自由。如圖 1.3.1 所示。固定端軸承同時承受軸向力和徑向力。這種支承方式用于行程小的短絲杠或者用于全閉環(huán)的機床，因為這種結(jié)構(gòu)的機械定位精良是最不可靠的，特別是對于長徑比大的絲杠（滾珠絲杠相對細長） ，熱變形是很明顯的，1.5m 長的絲杠的冷、熱的不同環(huán)境下變化0.05～0.10mm 是很正常的。但是由于他的結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)試方便，許多高精良機床仍然采用這種結(jié)構(gòu)，但是必須加裝光柵，采用全閉環(huán)反饋。圖 1.3.1 一端固定——一端自由2) 一端固定——一端支承。絲杠一端固定，另一端支承。如圖 1.3.2 所示。固定端軸承同時承受軸向力和徑向力；支承端軸承只承受徑向力，而且能作微量的軸向浮動，可以避免或減少因絲杠自重而出現(xiàn)的彎曲。同時絲杠熱變形可以自由地向一端伸長。這種結(jié)構(gòu)使用最廣泛，目前國內(nèi)中小型數(shù)控車床、立式加工中心等均采用這種結(jié)構(gòu)。10圖 1.3.2 一端固定——一端支承3) 兩端固定。絲杠兩端均固定。如圖 1.3.3 所示。固定端軸承都可以同時承受軸向力和徑向力，這種支承方式，可以對絲杠施加適當?shù)念A緊力，提高絲杠支承剛度，可以部分補償絲杠的熱變形。對于大型機床、重型機床以及高精度鏜床常采用此種方案。但是，這種絲杠的調(diào)整比較繁瑣，如果兩端的預緊力過大，將會導致絲杠最終的行程比設計行程要長，螺距也要比設計螺距大。如果兩端螺母的預緊力不夠，會導致相反的結(jié)果，并容易引起機床震動，精度降低。所以，這類絲杠在拆裝時一定要按照原廠商說明書調(diào)整，或借助儀器（雙頻激光測量儀）調(diào)整。圖 1.3.3 兩端固定111.4 滾珠絲杠副的防護和潤滑1.4.1 滾珠絲杠副的防護 滾珠絲杠副和其他滾動摩擦的傳動器件一樣，應避免硬質(zhì)灰塵或切屑污物進入，因此必須裝有防護裝置。如果滾珠絲杠副在機床上外露，則應采用封閉的防護罩，如采用螺旋彈簧鋼帶套管、伸縮套管以及折疊式套管等。安裝時將防護罩的一端連接在滾珠螺母的側(cè)面，另一端固定在滾珠絲杠的支承座上。如果滾珠絲杠副處于隱蔽的位置，則可采用密封圈防護，密封圈裝在螺母的兩端。接觸式的彈性密封圈采用耐油橡膠或尼龍制成，其內(nèi)孔做成與絲杠螺紋滾道相配的形狀；接觸式密封圈的防塵效果好，但由于存在接觸壓力，使摩擦力矩略有增加。非接觸式密封圈又稱迷宮式密封圈，它采用硬質(zhì)塑料制成，其內(nèi)孔與絲杠螺紋滾道的形狀相反，并少有間隙，這樣可避免摩擦力矩，但防塵效果差。工作中應避免抨擊防護裝置，防護裝置一有損壞應及時更換。1.4.2 滾珠絲杠副的潤滑 潤滑劑可提高耐磨性及傳動效果。潤滑劑可分為潤滑油和潤滑脂兩大類。潤滑油一般為全耗損系統(tǒng)用油：潤滑脂可采用鋰基潤滑脂。潤滑脂一般加在螺紋滾道和安裝螺母的殼體空間內(nèi)，而潤滑油則經(jīng)過殼體上的油孔注入螺母的空間內(nèi)。每半年對滾珠絲杠上的潤滑脂更換一次，清洗絲杠上的舊潤滑脂，涂上新的潤滑脂。用潤滑油潤滑的滾珠絲杠副，可在每次機床工作前加油一次。1.5 滾珠絲杠副在高速數(shù)控機床上的應用高速加工是面向 21 世紀的一項高薪技術(shù)，它以高效率、高精度和高表面質(zhì)量為基本特征，在航天航空、汽車工業(yè)、模具制造、光電工程和儀器儀表等行業(yè)中獲得了越來越廣泛的應用，并已取得了重大的技術(shù)經(jīng)濟效益，是當代先進制造技術(shù)的重要組成部分。為了實現(xiàn)高速加工，實現(xiàn)高速數(shù)控機床。高速數(shù)控機床必須同時具有高速主軸系統(tǒng)和高速進給系統(tǒng)，才能實現(xiàn)材料切削工程的高速化。為了實現(xiàn)高速進給，國內(nèi)有關制造廠商不斷采取措施，提高滾珠絲杠的高速性能。主要措施有：1) 適當加大絲杠的轉(zhuǎn)速、導程和螺紋頭數(shù)。常用大導程滾珠絲杠名義直徑與導程的匹配為：40mm×20mm，50×25mm，50mm×30mm 等，其進給速度均可達12到 60m/min 以上。為了提高滾珠絲杠的剛度和承載能力，大導程滾珠絲杠一般采用雙頭螺紋，以提高滾珠的有效承載圈數(shù)。2) 改進結(jié)構(gòu)，提高滾珠運動的流暢性。改進滾珠循環(huán)返回裝置，優(yōu)化回珠槽的曲線槽型，采用三維槽型的導珠管和回珠器，做到沿著內(nèi)螺紋的導程角方向?qū)L珠引進螺母體的滾珠運動的方向與滾道相切而不是相交。這樣可把沖擊損耗和噪聲減至最小。3) 采用“空心強冷”技術(shù)。高速滾珠絲杠在運行時由于摩擦產(chǎn)生高溫，造成絲杠的熱變形，直接影響高速機床的加工精度。采用“空心強冷”技術(shù)，就是將恒溫切削液通入空心絲杠的孔中，對滾珠絲杠進行強制冷卻，保持滾珠副溫度的恒定。這個措施是提高中、大型滾珠絲杠高速性能和工作精度的有效途徑。4) 對于大行程的高速進給系統(tǒng)，可采用絲杠固定、螺母旋轉(zhuǎn)的傳動方式。此時，螺母一邊轉(zhuǎn)動、一邊沿固定的絲杠作軸向移動，由于絲杠不動，可避免受臨界轉(zhuǎn)速的限制，避免了細長滾珠絲杠高速運轉(zhuǎn)時出現(xiàn)的種種問題。螺母慣性小、運動靈活，可實現(xiàn)的轉(zhuǎn)速高。5) 進一步提高滾珠絲杠的制造質(zhì)量。通過采用上述種種措施后，可在一定程度上克服傳動系統(tǒng)滾珠絲杠存在的一些問題。日本和瑞士在滾珠絲杠高速化方面一直處于國際領先地位，其最大快速移動數(shù)度可達 60m/min，個別情況下甚至可達 90m/min，加速度可達 15m/s2.。由于滾珠絲杠歷史悠久、工藝成熟、應用廣泛、成本較低，因此在中等載荷、進給速度要求并不高、行程范圍不太大的一般高速加工中心和其他經(jīng)濟型高速數(shù)控機床上仍然經(jīng)常被采用。1.6 ANSYS 介紹ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國 ANSYS 開發(fā)，它能與多數(shù) CAD 軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD 等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中的高級 CAE工具之一。1.6.1 CAE 的 技 術(shù) 種 類CAE 的技術(shù)種類有很多，其中包括有 限 元 法 (FEM,即 Finite Element 13Method),邊界元法 (BEM,即 Boundary Element Method)，有限差法(FDM, 即 Finite Difference Element Method)等。每一種方法各有其應用的領域，而其中有限元法應用的領域越來越廣，現(xiàn)已應用于結(jié)構(gòu)力學、結(jié)構(gòu)動力學、熱力學、流體力學、電路學、電磁學等。 ANSYS 有限元軟 件 包是一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應用于以下工業(yè)領域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、微機 電 系 統(tǒng) 、運動器械等。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng) 格 劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析） 、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力； 后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲 線 形式顯示或輸出。 軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設備上，如PC， SGI，HP ，SUN，DEC，IBM，CRAY 等。 ANSYS 發(fā)布10.0新版本 美 國 賓夕法尼亞州6月2日消息：作為優(yōu)化產(chǎn)品研發(fā)流程的仿真技術(shù)及軟件的開發(fā)者和革新者，ANSYS 公司（納斯達克股票代號：ANSS）今天發(fā)布ANSYS 10.0新版本。新版本在性能、易用性、協(xié)同工作及耦合技術(shù)，如流固耦合，等方面有很大提高。10.0新版本是在目前的9.0軟件的基礎上研發(fā)的，與其有很好的兼容性，將于7月正式投入市場。 延續(xù)了 ANSYS 一貫強大的耦合場技術(shù)， 10.0版本為復雜的流固耦合（FSI）問題提供了更完善的解決方案。該版本整合了世界一流的應力分析和流體分析技術(shù)，形成了一套完整的 FSI 解決方案。通過適合于特定場要求的網(wǎng)格14劃分，一個單一的幾何體可以應用于兩種場。該版本提供了有效地解決 FSI 動力學分析的信息交換功能。目前市場上沒有任何其他的 FSI 軟件可以提供如此強大的穩(wěn)健性和高度的精確性分析。另外，該版本可以在多個機群進行并行處理解決超大模?！癆NSYS 10.0代表了最先進的 CAE 整合技術(shù)，較9.0有了顯著的提高” ，ANSYS 公司總裁兼首席執(zhí)行官 Jim Cashman 說， “我們一直致力于拓展ANSYS 仿真技術(shù)的廣度和深度，同時建立各種類型的仿真分析軟件的空前大 連盟。得益于 ANSYS Workbench 整合 CAE 技術(shù)的架構(gòu)，我們創(chuàng)建了建模、仿真、分析、前后處理的一系列無縫鏈接。10.0新版本整合了世界上最優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)、熱、流體等分析功能。 ” ANSYS10.0加入了旋轉(zhuǎn)機械和葉片設計工具，豐富了 Workbench 環(huán)境下的行業(yè)化功能。即 ANSYS BladeModeler，一款針對旋轉(zhuǎn)機械葉片構(gòu)件的高效的三維設計工具；以及 ANSYS TurboGrid，一款高質(zhì)量的葉片設計六面體網(wǎng)格劃分工具。 “ 結(jié)合了 ANSYS CFX 和渦輪專用的前后處理 CFD 功能，10.0版本提供了渦輪機械設計和分析完整的解決方案， ”ANSYS 公司副總裁兼總經(jīng)理Chris Reid 說， “應力分析、計算流體動力學分析或流固耦合分析的模型可以直接建立，通過 CAD 系統(tǒng)連通性，可以把模型擴展到上下游部件，最終完成整個模型的分析。ANSYS Workbench 是提供此功能上獨一無二的環(huán)境，借此空氣動力學工程師可以進行 CFD 設計，同時確認結(jié)構(gòu)特征。這將大幅度縮短設計流程?！? 在機械應用領域，ANSYS 10.0包括了 ANSYS Workbench 下全部的熱瞬態(tài)分析功能。這不僅幫助用戶進行非常復雜的時域仿真，同時 ANSYS Workbench也可自動完成很多建模和求解工作。這樣可以輕松快速地求解設備在一定運行時間內(nèi)的熱性能。 為了滿足日益增加的對大型復雜問題及時有效的分析需求，ANSYS 10.0的并行求解器如今可增加了對 CPU 和通信技術(shù)的選擇余地。除了支持 Ethernet 和Gigabit Ethernet，ANSYS 10.0還支持 Myrinet 和 InfiniBand。相對于以前的架構(gòu)，ANSYS 10.0能以最少的成本滿足高性能的機群計算。 本著以低成本硬件設備提供高性能解決方案的目標，ANSYS Workbench 現(xiàn)15可支持 Windows XP 64位機的 AMD 和 EMT64芯片集。此項改革解決了許多用戶在 Windows 操 作 系 統(tǒng) 下運行大型模型所面臨的 2GB 內(nèi)存限制。另外，它也使得 ANSYS 用戶不再需要寫硬盤就能完成整個求解，從而節(jié)約求解時間。 對于用戶，這將幫助他們更加經(jīng)濟有效地解決大型模型問題，如那些低頻穩(wěn)態(tài)和全瞬態(tài)電磁分析問題。ANSYS 10.0并行求解器可以解決高于一億自由度的大型電磁問題，在 CAE 行業(yè)獨樹一幟。 在高頻電磁領域，10.0版本提供了一個新的模式端口。此端口大大簡化了集成電路（IC） 、射頻識別(RFID)和射頻微機電系統(tǒng)(MEMS)等多種設備分析傳輸線端口的建模。標準算例顯示，利用此端口建模，可以顯著縮小模型尺寸，在保證精確的頻域計算結(jié)果前提下，節(jié)約30%到50%的求解時間和內(nèi)存需求。 新版本增加了旋轉(zhuǎn)機械的陀螺效應，它提高了 ANSYS 對渦輪機械和其他旋 轉(zhuǎn) 結(jié) 構(gòu) 的轉(zhuǎn)子動力學分析的能力。 在耦合場領域，結(jié)構(gòu)－熱－電磁三場耦合分析中增加熱彈阻尼(TED) ，一個在金屬、制陶及 MEMS 領域非常重要的內(nèi)耗裝置。ANSYS 繼續(xù) Workbench 主旋律，提供我們的用戶可供選擇的全自動或個人控制的強大分析軟件。我們在核心的網(wǎng)格處理技術(shù)上有十足的增強，在ANSYS Workbench 各個應 用 程 序 間共享網(wǎng)格。另外，雙向參數(shù)互動的 CAD 接口的穩(wěn)健性也得到了提高。ANSYS ICEM CFD? 10.0通過混合網(wǎng)格剖分新功能和 CAD 模型細節(jié)處理功能，提供了完整的一系列網(wǎng)格劃分工具以模擬真實世界，如汽車引擎罩下的散熱分析和汽車碰撞分析。 “ANSYS 10.0是 ANSYS 跨出的又一大步，在每種場都是這樣，也包括各種場在 ANSYS Workbench 的耦合， ”ANSYS 公司副總裁兼總經(jīng)理 Mike Wheeler 說，“沒有其他任何一家 CAE 公司可以與我們相匹敵，在一個單一的 CAE 環(huán)境下提供如此廣泛的解決方案。 ” ANSYS DesignSpace 通過 DesignSpace，設計工程師可以在產(chǎn)品設計階段對3D CAD 中生成的模型（包括零件和裝配件）進行應力變形分析、熱及熱 應 力 耦合分析、振動分析和形狀優(yōu)化，同時可對不同的工況進行對比分析。ANSYS/DesignSpace 擁有智能化的非線性求解專家系統(tǒng)，可自動設定求解控制，得到收斂解；用戶不需具16備非線性有限元知識即可完成過去只有專家才能完成的接觸分析。 1.6.2 ANSYS 軟 件 提 供 的 分 析 類 型1.結(jié)構(gòu)靜力分析 用來求解外載荷引起的位移、應力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析。 2.結(jié)構(gòu)動力學分析 結(jié)構(gòu)動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS 可進行的結(jié)構(gòu)動力學分析類型包括：瞬態(tài)動力學分析、模態(tài)分析、諧波響應分析及隨機振動響應分析。 3.結(jié)構(gòu)非線性分析 結(jié)構(gòu)非線性導致結(jié)構(gòu)或部件的響應隨外載荷不成比例變化。ANSYS 程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。4.動力學分析 ANSYS 程序可以分析大型三維柔體運動。當運動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復雜結(jié)構(gòu)在空間中的運 動 特 性 ，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應力、應變和變形。 5.熱分析 程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應力之間的熱－結(jié)構(gòu)耦合分析能力。 6.電磁場分析 主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運動效應、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設計和分析17領域。 7.流體動力學分析 ANSYS 流體單元能進行流體動力學分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應單元和熱－流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對流換熱效應。 8.聲場分析 程序的聲學功能用來研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應，研究音樂大廳的聲場強度分布，或預測水對振動船體的阻尼效應。 9.壓電分析 用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對 AC（交流） 、DC（直流）或任意隨時間變化的電流或機械載荷的響應。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥 克風 等部件及其它電子設備的結(jié)構(gòu)動態(tài)性能分析?？蛇M行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應分析、瞬態(tài)響應分析 軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。 前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型； 1.6.3 ANSYS 的 前 處 理 模 塊ANSYS 的前處理模塊主要有兩部分內(nèi)容：實體建模和網(wǎng)格劃分。 ●實體建模 ANSYS 程序提供了兩種實體建模方法：自頂向下與自底向上。自頂向下進行實體建模時，用戶定義一個模型的最高級圖元，如球 、棱柱，稱為基元，程序則自動定義相關的面、線及關鍵點。用戶利用這些高級圖元直接構(gòu)造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊 、球、錐和柱。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布 爾 運算來組合數(shù)據(jù)集，從而“雕塑出”一個實體模型。ANS YS 程序提供了完整的布爾運算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結(jié)和重疊。在創(chuàng)建復雜實體模型時，對線、面、體、基元的布爾操作 能減少相當可觀的建模工作量。ANSYS 程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動、延伸18和拷貝實體模型圖元的功能。附加的功能還包括 圓弧構(gòu)造、切線構(gòu)造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面的自動相交運算、自動倒角生成、用于網(wǎng)格劃分的硬點的建立、移動、拷貝和 刪除。自底向上進行實體建模時，用戶從最低級的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶首先定義關鍵點，然后依次是相關的線、面、體。 ●網(wǎng)格劃分 ANSYS 程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對 CAD 模型進行網(wǎng)格劃分的功能。包括四種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由 劃分和自適應劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個二維網(wǎng)格延伸成一個三維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后 選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。ANSYS 程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強大的，可對復雜模型直接劃分，避免了 用戶對各個部分分別劃分然后進行組裝時各部分網(wǎng)格不匹配帶來的麻煩。自 適 應 網(wǎng) 格 劃分是在生成了具有邊界條件的實體模型以后，用戶 指示程序自動地生成有限元網(wǎng)格，分析、估計網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計算、估計網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差 低于用戶定義的值或達到用戶定義的求解次數(shù)。 分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析） 、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設備上，如 PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY 等。 ●載荷 在 ANSYS 中，載荷包括邊界條件和外部或內(nèi)部作用力函數(shù)，在不同的分析領域中有不同的表征，但基本上可以分為 6 大類：自由度約束、力（集中載荷） 、面載荷、體載荷、慣性載荷以及耦合場載荷。 191、自由度約束（DOF Cinstraints）:將給定的自由度用已知量表示。例如在結(jié)構(gòu)分析中約束是指位移和對稱邊界條件，而在熱力學分析中則指的是溫度和熱通量平行的邊界條件。 2、力（集中載荷） （Force）：是指施加于模型節(jié)點上的集中載荷或者施加于實體模型邊界上的載荷。例如結(jié)構(gòu)分析中的力和力矩，熱力分析中的熱流速度，磁場分析中的電流段。 3、面載荷（Surface Load）:是指施加于某個面上的分布載荷。例如結(jié)構(gòu)分析中的壓力，熱力學分析中的對流和熱通量。 4、體載荷（Body Load）:是指體積或場載荷。例如需要考慮的重力，熱力分析中的熱生成速度。 5、慣性載荷（Inertia Loads）:是指由物體的慣性而引起的載荷。例如重力加速度、角速度、角加速度引起的慣性力。 6、耦合場載荷（Coupled-field Loads）:是一種特殊的載荷，是考慮到一種分析的結(jié)果，并將該結(jié)果作為另外一個分析的載荷。例如將磁場分析中計算得到的磁力作為結(jié)構(gòu)分析中的力載荷。 1.6.4 ANSYS 公 司 介 紹ANSYS，Inc. (NASDAQ: ANSS)成立于 1970 年，致力于工程仿真軟件和技術(shù)的研發(fā)，在全球眾多行業(yè)中，被工程師和設 計 師 廣泛采用。ANSYS 公司重點開發(fā)開放、靈活的，對設計直接進行仿真的解決方案，提供從概念設計到最終測試產(chǎn)品研發(fā)全過程的統(tǒng)一平臺，同時追求快速、高效和和成本意識的產(chǎn)品開發(fā)。ANSYS 公司和其全球網(wǎng)絡的渠道合作伙伴為客戶提供銷售、培訓和技術(shù)支持一體化服務。ANSYS 公司總部位于美國賓夕法尼亞州的匹 茲 堡 ，全球擁有 60 多個代理。ANSYS 全球有 1700 多名員工，在 40 多個國家銷售產(chǎn)品。 ANSYS 公司于 2006 年收購了在流體仿真領域處于領導地位的美國 Fluent公司，于 2008 年收購了在電路和電磁仿真領域處于領導地位的美國 Ansoft 公司。通過整合，ANSYS 公司成為全球最大的仿真軟件公司。目前，ANSYS 整個產(chǎn)品線包括 結(jié)構(gòu)分析(ANSYS Mechanical)系列， 流體動力學(ANSYS CFD(FLUENT/CFX）)系列，電子設計（ANSYS ANSOFT）系列以及 ANSYS Workbench 和 EKM 等。產(chǎn)品廣泛應用于航空、航天、電子、車輛、船舶、交通、20通信、建筑、電子、醫(yī)療、國防、石油、化工等眾多行業(yè)。 ANSYS 中 國 是 ANSYS, Inc.在中國的全資子公司，在上 海 ，北京，成 都 和深圳設有分公司，負責 ANSYS 在整個中國的業(yè)務發(fā)展和市場推廣。目前在中國，ANSYS 電子設計系列產(chǎn)品(原 ANSOFT 公司產(chǎn)品)由 ANSYS 中國直接負責市場、銷售與技術(shù)服務等。ANSYS 機械和流體仿真設計產(chǎn)品以及 ANSYS Workbench 和ANSYS EKM 產(chǎn)品由渠道合作伙伴安世亞太科技有限公司（Pera Global）負責銷售與技術(shù)支持。2. 滾珠絲杠靜態(tài)分析2.1 ANSYS 有限元靜態(tài)分析敘述2.1.1 實體建模和網(wǎng)格劃分首先定義材料屬性、實常數(shù)和材料單元類型屬性等。絲杠材料采用 45#鋼，故可以通過查表等到所需要的各種參數(shù)。具體的參數(shù)值列于表 2.1.1.1。表 2.1.1.1 滾珠絲杠參數(shù)值屬性名稱 屬性值彈性模量/GPa 210泊松比/% 0.3密度/kg·m -3 7850本次分析過程中選用 SOLID 92 單元，此單元是一種三維 IO 節(jié)點等參單元，有較高的計算精度，并且特別適合曲線邊界的擬和，能夠滿足絲杠有限元分析21的精度要求。在建立模型的時候，考慮到較小計算的工作量，故在不影響精度的前提下對模型做了適當簡化，忽略了不必要的螺紋和鍵槽等細節(jié)，其余螺紋向軸向投影為垂直于絲杠軸線的平面槽。由于 ANSYS 系統(tǒng)本身沒有默認的單位設置（角度除外） ，因此在建模過程中要特別注意單位問題，要統(tǒng)一使用單位，否則最后的計算結(jié)果會出現(xiàn)錯誤（往往相差幾個數(shù)量級） 。在分析過程中，單位都用國際標準單位。以 ANSYS12.0 為工具來進行計算分析，利用 ANYS 強大的造型功能，如拉伸、移動、拷貝、布爾加減運算、粘接等，可方便地建模，并對該模型進行網(wǎng)格劃分。在整個網(wǎng)格劃分過程中，可以手動控制單元長度，也可以采用自由及映射方式劃分。本次采用自由網(wǎng)格劃分，并使用 Smart Sizing 自由單元大小，取劃分精度為 6。特別注意的是在網(wǎng)格劃分的時候要注意網(wǎng)格的密度，不能太密，否則會導致計算量迅速增加，嚴重的可能會導致計算不能進行。同時網(wǎng)格你讀也不能太稀疏，否則得不到比較精確的求解。2.1.2 約束處理該絲杠采用雙推——雙推的支承結(jié)構(gòu)形式，可以達到較高的剛度要求和位移精度要求。由于這種支承方式兩端固定，故其兩端 3 個方向的平移自由度（UX，UY，UZ）全部被約束。所以在與軸承內(nèi)圈接觸的面上的所有節(jié)點都加上X,Y,Z3 個方向的約束。選擇分析類型為靜態(tài)分析，設置分析選項。2.2 具體分析步驟2.2.1 建立模型1) 本文采用 Solidworks 建立模型導入到 ANSYS，在 Solidworks 建立滾珠絲杠結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖 2.2.1.1 所示，另存為.x_t 格式。22圖 2.2.1.1 滾珠絲杠模型2) 在 ANSYS 選取 Utility Menu File Import PAPA.命令，出現(xiàn)ANSYS Connection for Parasolid 對話框，如圖 2.2.1.2 所示，選取所在文件的目錄，單擊 OK 關閉該對話框。圖 2.2.1.2 模型導入2.2.2 設置工作文件名和工作標題231) 選取 Utility Menu File Change Jobname 命令，出現(xiàn) Change Jobname 對話框，在[/FILNAM] Enter new jobname 文本框中輸入 Ball Screw工作文件名,如圖 2.2.2.1 所示，單擊 OK 按鈕關閉該對話框。圖 2.2.2.1 定義工作文件名2) 選取 Utility Menu File Change Title 命令，出現(xiàn) Change Title對話框，在[/TITLE]Enter new title 文本框輸入 Ball Screw 設置分析標題，如圖 2.2.2.2 所示，單擊 OK 按鈕關閉該對話框。圖 2.2.2.2 定義分析標題此非強制要求，但 ANSYS 推薦使用作業(yè)名和分析標題。作業(yè)名是用來識別ANSYS 作業(yè)的。當為某項分析定義了作業(yè)名，作業(yè)名就成為分析過程中產(chǎn)生的所有文件名的第一部分。通過為每一次分析給定不同的作業(yè)名，可確保文件不被覆蓋。3) 選取 Main Menu Preferences 命令，出現(xiàn) Preferences for GUI Filtering 對話框。選擇 Structural，如圖 2.2.2.3 所示，單擊 OK 按鈕關閉該對話框。24圖 2.2.2.32.2.3 定義單元類型1) 選取 Main Menu Preprocessor Element Type Add / Edit / Delete 命令，出現(xiàn) Element Types 對話框如圖 2.2.3.1 所示，單擊 Add 那妞，出現(xiàn) Library of Element Types 對話框。25圖 2.2.3.12) 在 Library of Element Types 對話框中選擇 solid，8node 92，在Element Type reference number 文本框中輸入 1，如圖 2.2.3.2 所示，單擊OK 關閉該對話框。圖 2.2.3.2 選擇網(wǎng)格類型3) 單擊 Element Types 對話框上的 Close 按鈕，關閉該對話框。 2.2.4 定義材料性能參數(shù)1) 選取 Main Menu Preprocessor Material Props Material Models 命令，出現(xiàn) Define Material Model Behavior 對話框，如圖 2.2.4.1所示。26圖 2.2.4.12) 在 Material Models Available 一欄中依次單擊Structural、Linear、Elastic、Isotropic 選項，如圖 2.2.4.2 所示，出現(xiàn)Linear Isotropic Properties for Material Number 1 對話框，在 EX 文本框中輸入 2.2E11，在 PRXY 文本框中輸入 0.3，如圖 2.2.4.3 所示，單擊 OK 按鈕關閉該對話框。圖 2.2.4.227圖 2.2.4.3 定義彈性模量和泊松比3) 在 Material Models Available 一欄中依次單擊 Structural、Density選項，如圖 2.2.4.4 所示，出現(xiàn) Density for Material Number 1 對話框，在DENS 文本框中輸入 7850，如圖 2.2.4.5 所示，單擊 OK 按鈕關閉該對話框。圖 2.2.4.4 定義密度28圖 2.2.4.5 定義密度4) 在 efine Material Model Behavior 對話框上選擇 Material 〉Exit 命令，關閉該對話框。2.2.5 用網(wǎng)格劃分器 MeshTool 將幾何實體模型劃分單元創(chuàng)建有限元模型，即生成確切描述物理原型特征的數(shù)學模型，是有限元分析中的關鍵步驟。ANSYS 有兩種創(chuàng)建有限元模型的方法：實體建模和直接生成。所謂直接生成法，即手工定義每個節(jié)點的位置和每個單元的連接。對于實體建模，先描述模型的幾何形狀，然后指示 ANSYS 自動對幾何實體進行單元劃分，產(chǎn)生節(jié)點和單元，可以控制由程序生成的單元的大小和形狀。本文采用實體建模方法。選取 Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool，彈出網(wǎng)格劃分工具選項設置對話框，如圖 2.2.5.1 所示。29圖 2.2.5.1 網(wǎng)格劃分器將智能網(wǎng)格劃分器（Smart Sizing）設定為“on” 。將滑動碼設置為“6” 。確認 MeshTool 的各項為：Volumes，Tet，F(xiàn)ree。按“Mesh” ，出現(xiàn) Mesh Volumes 對話框，如圖 2.2.5.2 所示。按“Pick All” 。生成的網(wǎng)格如圖 2.2.5.3 所示30圖 2.2.5.2圖 2.2.5.3 生成的網(wǎng)格圖