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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，提高制圖的質量。本文以參數化思想進行繪制，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、腔等進行特征驅動；對繪制的模型和圖形進行參數化；可以對各種大型的、復雜的機構機型設計和仿真；設計的每個零部件和模塊都是相互關聯的，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 參數設置

在運動程序里面選擇機構，進入仿真環境。

首先運動軸用銷釘聯接，創建齒輪副確保傳動，輸入各個齒輪的尺寸參數，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，如圖 4 所示。

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圖 2 創建齒輪副圖 3 選取電機

2.2 運動分析

分析定義有位置、動態、靜態、力學平衡幾種方式，這里選擇動態。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 主軸的模態分析

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

3.1 模態分析

進入模態分析模式，模式數選擇 8，輸入最小頻率，彈出對話框，選擇模態分析，開始運行，分析結果如圖 8 所示。

3.2 模態分析結果

分析結果如表 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 創建熱力載荷

熱力學載荷相當于結構分析中的載荷，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）發熱量的計算

軸承產生的熱量

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式中 n———軸承轉速；

f0———考慮軸承結構類型和潤滑類型的系數；

υ0———潤滑脂的工作黏度，m2/s；

dm———軸承中徑；

μ0———與負荷及軸承結構類型有關的摩擦系數；

f1———反應負荷方向的系數；

F———軸承負荷。

當主軸轉速為 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，發熱量分別為 141 kW 和 107 kW。

（2）對流系數的計算

根據經驗，對流系數一般取 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；時間變化選擇穩態。

4.2 分析結果

定義分析結果，最后結果如圖 9 所示。熱變形誤差主要發生在軸向 z 方向，是構成綜合熱位移的主要分量。徑向 x 隨著溫度繼續升高，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。產生這種現象是因為 x 方向，隨著繼續升溫，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生了傾斜，傾斜的方向與熱脹方向相反，因而出現了位移反而減少的現象。 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 結語

（1）通過對主軸的研究，以三維建模為橋梁，構建了工程及產品結構分析過程的廣義CAD 平臺，為CAD 和CAE 技術奠定了基礎；
（2）應用三維CAD 軟件Pro/E，對基于特征的零件實體建模技術和虛擬裝配及運動仿真技術進行了初步探討，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 系統對主軸進行模態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，同時也發現了分析過程中的不足-振動頻率過高。這是因為軸的模態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 的模態與熱力學有限元分析，為主軸系統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。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，所以期望后續的工作上做出更進一步的優化與分析。

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