[機械設計自動化精品] 數(shù)控機床滾珠絲杠的有限元分析 畢業(yè)設計.doc

2011屆畢業(yè)論文畢業(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： 機械工程與自動化學院2011 年 06月數(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，ansys the 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, ansys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 觀察結果272.2.8結論333. 滾珠絲杠模態(tài)分析343.1 ansys有限元模態(tài)分析敘述343.1.1 實體建模和網格劃分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 觀察結果473.2.8 結論55參 考 文 獻56致謝58641. 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，它的產生金和發(fā)展只經歷了數(shù)十年的歷史，然而它在國內外工程技術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，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?，它具有許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，但所研究的內容基本涵蓋了絲杠副的結構、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構形式。按滾珠循環(huán)方式分為外循環(huán)和內循環(huán)兩大類。外循環(huán)回珠器用插管式的較多，內循環(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，為改善滾珠絲杠結構參數(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，同樣是可以將旋轉運動變?yōu)橹本€運動，也可以將直線運動變?yōu)樾D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構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，其結構雖簡單，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構尺寸。近面來國內外的軸承生產廠家已生產出一種滾珠絲杠專用軸承，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。這種新結構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，產品成對出售，而且在出廠時已經選配好內外環(huán)的厚度，裝配時只要用螺母和端蓋將內環(huán)和外環(huán)壓緊，就能獲得出廠時已經調整好的預緊力。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，因為這種結構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0.050.10mm是很正常的。但是由于他的結構簡單，安裝調試方便，許多高精良機床仍然采用這種結構，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。這種結構使用最廣泛，目前國內中小型數(shù)控車床、立式加工中心等均采用這種結構。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整，或借助儀器（雙頻激光測量儀）調整。圖1.3.3兩端固定1.4 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，它采用硬質塑料制成，其內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，而潤滑油則經過殼體上的油孔注入螺母的空間內。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，它以高效率、高精度和高表面質量為基本特征，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經濟效益，是當代先進制造技術的重要組成部分。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：40mm20mm，5025mm，50mm30mm等，其進給速度均可達到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) 改進結構，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，做到沿著內螺紋的導程角方向將滾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。高速滾珠絲杠在運行時由于摩擦產生高溫，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，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、螺母旋轉的傳動方式。此時，螺母一邊轉動、一邊沿固定的絲杠作軸向移動，由于絲杠不動，可避免受臨界轉速的限制，避免了細長滾珠絲杠高速運轉時出現(xiàn)的種種問題。螺母慣性小、運動靈活，可實現(xiàn)的轉速高。5) 進一步提高滾珠絲杠的制造質量。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濟型高速數(shù)控機床上仍然經常被采用。1.6 ansys介紹ansys軟件是融結構、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, ideas, autocad等， 是現(xiàn)代產品設計中的高級cae工具之一。1.6.1 cae的技術種類cae的技術種類有很多，其中包括有限元法(fem,即finite element method),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)已應用于結構力學、結構動力學、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，可以用來求解結構、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格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型；分析計算模塊包括結構分析（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（可看到結構內部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、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構和材料。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)化產品研發(fā)流程的仿真技術及軟件的開發(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，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，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，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格劃分，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?！癮nsys 10.0代表了最先進的cae整合技術，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技術的架構，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)秀的結構、熱、流體等分析功能?！?ansys10.0加入了旋轉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，一款針對旋轉機械葉片構件的高效的三維設計工具；以及ansys turbogrid，一款高質量的葉片設計六面體網格劃分工具。 “結合了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，同時確認結構特征。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，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)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果前提下，節(jié)約30%到50%的求解時間和內存需求。 新版本增加了旋轉機械的陀螺效應，它提高了ansys對渦輪機械和其他旋轉結構的轉子動力學分析的能力。 在耦合場領域，結構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。我們在核心的網格處理技術上有十足的增強，在ansys workbench各個應用程序間共享網格。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. 結構靜力分析 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構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. 結構動力學分析 結構動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響。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可進行的結構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. 結構非線性分析 結構非線性導致結構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構在空間中的運動特性，并確定結構中由此產生的應力、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構應力之間的熱結構耦合分析能力。 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構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中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結構的動態(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構對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構動態(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格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型； 1.6.3 ansys的前處理模塊ansys的前處理模塊主要有兩部分內容：實體建模和網格劃分。 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、移動、延伸和拷貝實體模型圖元的功能。附加的功能還包括 圓弧構造、切線構造、通過拖拉與旋轉生成面和體、線與面的自動相交運算、自動倒角生成、用于網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。 網格劃分 ansys程序提供了使用便捷、高質量的對cad模型進行網格劃分的功能。包括四種網格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由 劃分和自適應劃分。延伸網格劃分可將一個二維網格延伸成一個三維網格。映像網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格控制，生成映像網格。ansys程序的自由網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格不匹配帶來的麻煩。自適應網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格，分析、估計網格的離散誤差，然后重新定義網格大小，再次分析計算、估計網格的離散誤差，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構分析（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（可看到結構內部）等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、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構和材料。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。 1、 自由度約束（dof cinstraints）:將給定的自由度用已知量表示。例如在結構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。例如結構分析中的力和力矩，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。例如結構分析中的壓力，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果，并將該結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構分析中的力載荷。 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品開發(fā)。ansys公司和其全球網絡的渠道合作伙伴為客戶提供銷售、培訓和技術支持一體化服務。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整個產品線包括 結構分析(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。產品廣泛應用于航空、航天、電子、車輛、船舶、交通、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電子設計系列產品(原ansoft公司產品)由ansys中國直接負責市場、銷售與技術服務等。ansys 機械和流體仿真設計產品以及ansys workbench和ansys ekm產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/gpa210泊松比/%0.3密度/kgm-37850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，并對該模型進行網格劃分。在整個網格劃分過程中，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。特別注意的是在網格劃分的時候要注意網格的密度，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構形式，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建立滾珠絲杠結構的有限元模型，如圖2.2.1.1所示，另存為.x_t格式。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1) 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/titleenter 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。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。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。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2.2.4.2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，彈出網格劃分工具選項設置對話框，如圖2.2.5.1所示。圖2.2.5.1網格劃分器將智能網格劃分器（smart sizing）設定為“on”。將滑動碼設置為“6”。確認meshtool的各項為：volumes，tet，free。按“mesh”，出現(xiàn)mesh volumes對話框，如圖2.2.5.2所示。按“pick all”。生成的網格如圖2.2.5.3所示圖2.2.5.2圖2.2.5.3生成的網格圖ansys提供了多種自動網格劃分技術，自動適應精度控制可為不同零件、不同區(qū)域指定不同的重要級別或計算精度，程序可自動通過計算判斷精度網格細分計算的循環(huán)迭代達到預期的精度，其間程序可自動識別高應力區(qū)、高溫度梯度區(qū)，并對這些區(qū)域進行網格細化。2.2.6 加載和求解1) 選取main menu solution analysis type new analysis命令，出現(xiàn)new analysis對話框。選擇分析類型static，如圖2.2.6.1所示，單擊ok按鈕關閉該對話框。圖2.2.6.1分析類型2) 選取main menu solution define loads apply structural displacement on areas命令，出現(xiàn)apply u，rot on a.對話框，如圖2.2.6.2所示。選取約束，使?jié)L珠絲杠只沿z軸轉動，單擊ok按鈕關閉該對話框。圖2.2.6.23) 選取main menu solution define loads apply structural pressure on nodes命令，出現(xiàn)apply pres on nodes拾取菜單，點擊滾珠絲杠上螺紋受力節(jié)點，單擊ok按鈕，出現(xiàn)apply f/m on nodes對話框。在lab direction of force/mom中選擇fx，在value load pres value 文本框輸入-3300，如圖2.2.6.3所示，單擊ok按鈕關閉該對話框。圖2.2.6.3加載x方向載荷4) 選取main menu solution define loads apply structural pressure on nodes命令，出現(xiàn)apply pres on nodes拾取菜單，點擊滾珠絲杠上螺紋受力節(jié)點，單擊ok按鈕，出現(xiàn)apply f/m on nodes對話框。在lab direction of force/mom中選擇fz，在value load pres value 文本框輸入3300，如圖2.2.6.4所示，單擊ok按鈕關閉該對話框。圖2.2.6.4加載z方向載荷5) 選取main menu solution solve current ls命令，出現(xiàn)solve current load step對話框，如圖2.2.6.5所示，單擊ok按鈕，ansys開始計算求解。圖2.2.6.5計算求解2.2.7 觀察結果1) 選取main menu general postproc plot results deformed shape命令，出現(xiàn)plot deformed shape對話框，如圖2.2.7.1所示。在kund items to be plotted選項中選擇def+undeformed選項，單擊ok按鈕關