第10期 2016年10月
组合机床与自动化加工技术
Modular MachineTool &Automatic ManufacturingTechnique
文章编号：10012265(2016)10005104
D0I:10.13462/j. cnki. mmtamt.2016.10.014
基于模态和灵敏度的主轴箱有限元分析与优化设计
李健，徐敏，张宝
（广西科技大学机械工程学院，广西柳州545006）
No.10 Oct.2016
摘要：以CJK6132数控车床主轴箱箱体作为主要研究对象，利用ANSYSWorkbench对主轴箱箱体进行三维实体建模，对主轴箱进行动静态分析。根据有限元分析结果，以主轴箱箱体壁厚作为设计变量，箱体质量、应力、应变、第一阶固有频率作为输出参数，利用设计变量与输出参数之间的灵敏度大小简化需优化的模型，在保证主轴箱动静态特性的基础上以主轴箱质量最小为优化目标，运用多目标多尺寸的优化分析，对主轴箱箱体进行有限元分析及优化设计。根据主轴箱优化结果，综合考虑主轴箱的实际工作情况，修改主轴箱箱体的结构，得到优化后的主轴箱模型结构。结果表明，优化后
箱体的结构度、强度变化不大，固有频率有所降低，重量减轻了12.54%。关键词：主轴箱；模态分析；灵度；优化设计
中图分类号：TH132;TG65
文献标识码：A
Finite Element Analysis and Optimal Design of the Spindle Box Based on Modal and Sensitivity
LI Jian，XUMin，ZHANGBao
(College of Mechanical Engineering, Guangxi University of Science and Technology, Guangxi Liuzhou 545006，China）
Abstract : In CJK6132 CNC lathe headstock box as the main object of study, the use of ANSYS Workbench for headstock box 3D solid modeling. According to the results of finite element analysis, spindle box wall thick as design variables, quality of the box, stress, strain and the first order natural frequency as output pa rameters, use between the design variables and the output parameter sensitivity to the size of a simplified model for the optimization of the, in ensuring the spindle box based on the static characteristics of the spin-dle box quality minimum as the optimization objective, the use of multi-objective and dimension optimiza-tion analysis, on the spindle box of finite element analysis and optimization design. According to the results of the spindle box optimization, considering the actual working conditions of the main axle box, modify the structure of the spindle box, get the optimized structure of the spindle box model.The results show that the structural stiffness and strength of the optimized structure is small, the natural frequency is reduced, and the weight is reduced by 12. 54% .
Key words: headstock ; modal analysis ; sensitivity ; optimization design
0引言
主轴箱是机床的核心部件，主要用来安装机床主轴以及其它传动零件或附加机构1。主轴箱内部结构差异比较大，受力过程较复杂，所以，主轴箱的结构对整个车床产品精度以及质量的提高至关重要[2]。为此很多人利用现代设计方法对主轴箱的结构进行分析与优化，如文献[3-5]对机床主轴箱进行了各种分析与优化，但他们都是按常规的软件分析方法来分析和优化，文献[3]只对机床主轴箱结构作了特殊设计，文献[4]
收稿日期：2015-12-17；修回日期：2016-01-19
只对车床主轴箱作了转速计算和受力分析计算等，文献[5]按ANSYSWorkbench有限元分析和优化步骤，以一些设计参数作为变量，以箱体最轻为优化目标进行优化计算。本文是基于模态和灵敏度的基础上进行分析与优化，即以CJK6132车床主轴箱箱体作为分析研究对象，以主轴箱箱体壁厚作为设计变量，箱体质量、应力、应变、第一阶固有频率作为输出参数，利用设计变量与输出参数之间的灵敏度大小简化需优化的模型，在保证主轴箱动态特性的基础上以主轴箱质量最
8基金项目：广西科学研究与技术开发计划资助项目（桂科攻11107002-28）
作者简务数播5—），男，广西陆川人，广西科技大学教授，硕士生导师，研究方向为数字化设计与制造，（E-mail)171965635@q.com