劉彥伯

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710300)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和信息化時代工業(yè)技術(shù)的飛迅發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)床設(shè)備憑借其高精度、高質(zhì)量、高效率等諸多優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的使用范圍和頻率越來越廣泛，這就要求廠家的設(shè)計(jì)周期要急劇壓縮且更有效率，工程設(shè)計(jì)人員精通CAE并結(jié)合CAD、CAM也成為一種必然趨勢。有限元方法及軟件在工程中的應(yīng)用正好彌補(bǔ)了這一空缺，在近十幾年內(nèi)CAE軟件有了飛速式的發(fā)展并被廣泛應(yīng)用到工程實(shí)踐中，ANSYS正是被廣泛應(yīng)用的軟件。有限元分析方法實(shí)際是要還原一個實(shí)際工程中的數(shù)學(xué)行為，在對具體工程問題進(jìn)行有限元分析時，先要建立一個可信、可靠的有限元模型，合理的建模方法是準(zhǔn)確建立模型的關(guān)鍵。筆者正是在CAD/CAE的基礎(chǔ)上借助三維建模軟件Pro/E和有限元軟件ANSYS對研究對象進(jìn)行研究分析，Pro/E軟件的引入也彌補(bǔ)了ANSYS軟件在建模功能的相對不足［1］。

1 分析思想及模型建立

筆者主要對某型車床絲杠螺母嚙合處螺紋的可靠性進(jìn)行分析與研究。為了方便研究，只選取其中一節(jié)絲杠螺母的螺紋連接處作為研究對象。在分析前，先應(yīng)在不影響研究對象結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài)的前提下對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)的簡化和合理的假設(shè)，這樣做可提高分析運(yùn)算的效率且不影響分析的結(jié)果:①建模過程中忽略了小孔、凸臺等對分析結(jié)果影響不大的結(jié)構(gòu)要素;②視零件材料為均質(zhì)、一體的，統(tǒng)一設(shè)置材料的彈性模量、密度、泊松比等參數(shù)及接觸面類型;最后，設(shè)置邊界條件進(jìn)行相關(guān)的靜力學(xué)分析，得到變形、應(yīng)力、應(yīng)變云圖等;③處理得到最終的分析結(jié)果。

為了使有限元分析仿真結(jié)果具有可靠性和準(zhǔn)確性，要求在建立三維模型時要盡可能繪制的完整且細(xì)致，以便于提高在后續(xù)有限元分析時的可靠性和精準(zhǔn)度。但是ANSYS軟件的三維建模功能不是很強(qiáng)大，操作時相對較繁瑣，所以可先用三維建模功能較強(qiáng)大的專業(yè)軟件Pro/E完成建模，然后再導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行后續(xù)分析處理［2］。Pro/E和ANSYS畢竟是兩款內(nèi)部核心不同的軟件，那么在Pro/E導(dǎo)入ANSYS的過程中難免會出現(xiàn)失真、數(shù)據(jù)不兼容等情況，對后續(xù)的分析處理造成了一定的困擾。

正確導(dǎo)入的方法有很多:①利用中間格式進(jìn)行導(dǎo)入，比如IGES格式等，具體做法如下:先用Pro/E軟件把三維模型另存為IGES格式，再用ANSYS軟件打開IGES文件，進(jìn)行一定的修補(bǔ)即可;②通過ANSYS所提供的專用接口將ANSYS集成到Pro/E中，但要注意軟件的兼容性，如ANSYS 14和Pro/E 4.0就不能進(jìn)行有效集成。該研究對象的三維模型及網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。網(wǎng)格總共87 850個單元、151 433個節(jié)點(diǎn)，單元大小適中，網(wǎng)格質(zhì)量良好。螺紋連接處采用Bond-ed方式［3］。

2 載荷約束的施加及求解結(jié)果分析

選擇材料是合金材料36CrNiMo4，選擇相應(yīng)操作，對材料進(jìn)行設(shè)定后，相應(yīng)的密度、楊氏模量、泊松比等也進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。絲杠內(nèi)表面采用了Cylindrical Support，軸向移動為自由，絲杠一端添加了約240 t的軸向力，螺母固定與導(dǎo)軌的接觸面［4－7］。具體加載和約束情況如圖2所示。

圖1 三維模型及其網(wǎng)格劃分

圖2 加載和約束情況圖

根據(jù)總變形云圖可反映出研究對象在受力狀態(tài)下的最大形狀形變過程，對其結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化具有一定的意義。研究對象的總變形圖、X方向變形圖、Y方向變形圖、Z方向變形圖分別如圖3、4、5、6，根據(jù)該變形云圖可看出變形最大不超過0.123 44 mm，Z向變形(即軸向變形)稍大，為絲杠螺母受力時的主要變形方向，總體來看變形較小，這就說明總體設(shè)計(jì)基本可滿足設(shè)計(jì)工況的要求［8－9］。

圖3 總變形圖

圖4 X方向變形圖

圖5 Y方向變形圖

圖6 Z方向變形圖

研究對象的總等效應(yīng)力云圖、螺母等效應(yīng)力圖、絲杠應(yīng)力圖分別如圖7、8、9所示，根據(jù)云圖可看出，最大等效應(yīng)力為659 MPa，出現(xiàn)在螺紋的邊緣，此處相當(dāng)于懸臂梁受力的情況，應(yīng)力較大，在螺紋的嚙合處應(yīng)力在150 MPa左右?？傮w來看，絲杠螺母所受應(yīng)力基本滿足要求，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度較好，總體設(shè)計(jì)基本滿足設(shè)計(jì)工況的要求。

圖7 總等效應(yīng)力圖

圖8 螺母等效應(yīng)力圖

圖9 絲杠等效應(yīng)力圖

3 結(jié)論

從分析結(jié)果可看出，螺紋變形的最大值為0.123 44 mm左右，最大接觸應(yīng)力值為659 MPa，且只出現(xiàn)在個別的應(yīng)力集中點(diǎn)，螺紋的嚙合處應(yīng)力大部分在150 MPa左右，螺母最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺紋的邊緣處，此處有應(yīng)力集中，大約為450 MPa左右，絲杠最大應(yīng)力出現(xiàn)在與螺母嚙合處的邊緣，大約為150 MPa左右。零件整體的安全系數(shù)基本可達(dá)2.0左右，基本滿足安全系數(shù)不小于1.8的要求，所選用的合金材料36CrNiMo4是一種較理想的材料，其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也較合理、結(jié)實(shí)耐用、具有較好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，基本可滿足實(shí)際使用要求。對于個別區(qū)域應(yīng)力集中的現(xiàn)象可進(jìn)行簡單的工藝處理，如對某些特定的邊角進(jìn)行必要的倒角、倒園便可消除應(yīng)力過于集中的現(xiàn)象。

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