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1 軸的三維實體建模

Pro/E 進行三維立體建模時，可以先畫出實體的形狀，然后在圖案中標出設計好的尺寸，把尺寸參數(shù)化就可以得到需要的三維立體模型。可以大大減少工作量，提高制圖的質(zhì)量。本文以參數(shù)化思想進行繪制，帶來了很多方便。如圖 1 所示。

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圖 1 軸的三維實體模型

2 運動仿真的工作界面

運動仿真是 Pro/Engineer 模塊中的主要部分。Pro/Engineer 可以對凸臺、槽、倒角、腔等進行特征驅(qū)動；對繪制的模型和圖形進行參數(shù)化；可以對各種大型的、復雜的機構(gòu)機型設計和仿真；設計的每個零部件和模塊都是相互關聯(lián)的，任何地方的改變，都會引起和它相關的零部件和模塊的變化。通過 Pro/En- gineer ，進行三維實體建模，然后仿真。

2.1 參數(shù)設置

在運動程序里面選擇機構(gòu)，進入仿真環(huán)境。

首先運動軸用銷釘聯(lián)接，創(chuàng)建齒輪副確保傳動，輸入各個齒輪的尺寸參數(shù)，如圖 2 所示。

然后添加電動機，選擇運動軸，如圖 3 所示。之后，進行分析定義，修改參數(shù)，如圖 4 所示。

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圖 2 創(chuàng)建齒輪副圖 3 選取電機

2.2 運動分析

分析定義有位置、動態(tài)、靜態(tài)、力學平衡幾種方式，這里選擇動態(tài)。建立分析，如圖 5 所示。

（1）選取第 1 測試點，測量如圖 6 所示；

（2）選取第 2 點測量，如圖 7 所示。

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圖 4 參數(shù)設置

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圖 5 建立分析

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圖 6 齒輪分析圖

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圖 7 測量圖

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圖 8 振型圖

3 主軸的模態(tài)分析

模態(tài)分析可以確定部件和組裝件的固有頻率，從而防止產(chǎn)生共振之類的事故發(fā)生。進行模態(tài)分析的計算和試驗，可以確定固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型的參數(shù)。如果它的固有頻率和工作頻率十分接近，會影響它的使用質(zhì)量和壽命，還可能帶來更嚴重的安全事故。因此模態(tài)分析尤其重要。

3.1 模態(tài)分析

進入模態(tài)分析模式，模式數(shù)選擇 8，輸入最小頻率，彈出對話框，選擇模態(tài)分析，開始運行，分析結(jié)果如圖 8 所示。

3.2 模態(tài)分析結(jié)果

分析結(jié)果如表 1 所示。

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研究表明，支撐剛度增加，固有頻率提高，同時伴有振型的改變。

3 熱力學分析

3.1 創(chuàng)建熱力載荷

熱力學載荷相當于結(jié)構(gòu)分析中的載荷，用以對模型施加熱力。可以對模型的幾何元素點、線、面和原件進行熱力載荷。

（1）發(fā)熱量的計算

軸承產(chǎn)生的熱量

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式中 n———軸承轉(zhuǎn)速；

f0———考慮軸承結(jié)構(gòu)類型和潤滑類型的系數(shù)；

υ0———潤滑脂的工作黏度，m2/s；

dm———軸承中徑；

μ0———與負荷及軸承結(jié)構(gòu)類型有關的摩擦系數(shù)；

f1———反應負荷方向的系數(shù)；

F———軸承負荷。

當主軸轉(zhuǎn)速為 1 500 r/min 時，計算得到前后軸承的摩擦力矩分別為 0.7 Nm 和 0.54 Nm，發(fā)熱量分別為 141 kW 和 107 kW。

（2）對流系數(shù)的計算

根據(jù)經(jīng)驗，對流系數(shù)一般取 10~20 W/m2℃。

（3）建立熱力載荷

選取參照曲面；熱分布選擇總載荷；空間變化選擇均勻；時間變化選擇穩(wěn)態(tài)。

4.2 分析結(jié)果

定義分析結(jié)果，最后結(jié)果如圖 9 所示。熱變形誤差主要發(fā)生在軸向 z 方向，是構(gòu)成綜合熱位移的主要分量。徑向 x 隨著溫度繼續(xù)升高，位移并不像預料中那樣增加，而是稍有減少；徑向 y 方向的位移變化非常緩慢。產(chǎn)生這種現(xiàn)象是因為 x 方向，隨著繼續(xù)升溫，熱位移應該隨著熱脹而增大，但是主軸的軸線同時也因熱變形而發(fā)生了傾斜，傾斜的方向與熱脹方向相反，因而出現(xiàn)了位移反而減少的現(xiàn)象。 y 方向由于模型基本是軸對稱的，所以軸中心線上的點在 y 方向的位置基本不會變化，所以在 y 方向熱位移很小。

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圖 9 熱學分析圖

5 結(jié)語

（1）通過對主軸的研究，以三維建模為橋梁，構(gòu)建了工程及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析過程的廣義CAD 平臺，為CAD 和CAE 技術(shù)奠定了基礎；
（2）應用三維CAD 軟件Pro/E，對基于特征的零件實體建模技術(shù)和虛擬裝配及運動仿真技術(shù)進行了初步探討，并以其為基礎，完成了基于特征的主軸關鍵零件建模和虛擬裝配及其虛擬運動仿真，且通過對靜態(tài)干涉分析檢查等工作，驗證了所建模型符合要求；
（3）通過ANSYS 系統(tǒng)對主軸進行模態(tài)與熱力學有限元分析，可以得出主軸的振型情況以及受熱變形，同時也發(fā)現(xiàn)了分析過程中的不足-振動頻率過高。這是因為軸的模態(tài)分析是在軸固定不動的情況下進行的分析，軸的兩端由軸承進行定位，所以在軸的兩端進行了全約束，這必將導致頻率的增大，如果在軸兩端施加軸承剛度進行分析的話，頻率將會大幅度降低；
（4）通過ANSYS 的模態(tài)與熱力學有限元分析，為主軸系統(tǒng)的設計打下了良好的實驗基礎，也為以后的課題深入研究提供了依據(jù)。由于對ANSYS 的了解和學習的局限性，沒有對關鍵軸進行完美的有限元分析，所以期望后續(xù)的工作上做出更進一步的優(yōu)化與分析。

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