CN102592017A - 一种双面锁紧刀柄/主轴联接性能仿真优化方法 - Google Patents

一种双面锁紧刀柄/主轴联接性能仿真优化方法 Download PDF

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Abstract

一种双面锁紧刀柄/主轴联接性能仿真优化方法，包括：参数化建模、结合面建模、施加边界条件、性能分析、优化设计步骤；根据分析结果，用户判断双面锁紧刀柄是否满足设计目标，如果满足设计要求，最终输出性能分析报告；如果未能满足要求，则优化设计模块；在优化设计步骤，自动调用ANSYS中的优化设计模块，用户指定碟簧刚度、端面间隙、碟簧预紧力、拉刀力为设计变量，定义性能分析中的刀尖点位移和结合面应力极值为优化目标，并设定变量范围，系统进行优化计算，最终输出优化后的结构参数。本发明利用有限元软件ANSYS二次开发平台，对双面锁紧刀柄/主轴及其结合面进行参数化建模，并对双面锁紧刀柄结构关键参数进行了优化设计。

Description

一种双面锁紧刀柄/主轴联接性能仿真优化方法
技术领域
本发明属于软件应用技术领域，特别是涉及一种考虑结合面因素的双面锁紧刀柄/主轴联接性能仿真分析与优化方法。
背景技术
刀柄系统是联接数控机床主轴与刀具的重要单元，其定位精度与联接刚度，直接影响机床的加工精度。随着数控机床向高速高精方向发展，具有高精度的双面锁紧刀柄得到普遍应用，然而当主轴转速达到每分钟数万转以上时，在离心力和切削力的影响下，双面锁紧刀柄与主轴之间结合面将会产生微量间隙与滑移，导致刀柄系统在高速下产生振摆和失稳，严重影响加工精度。因此结合面对刀柄/主轴联接性能有重要影响，有必要对刀柄/主轴结合面进行精确建模。
双面锁紧刀柄/主轴结合面受拉刀力、刀柄结构、转速、形位公差、粗糙度等多因素影响，而现有的有限元仿真方法大都通过定义接触对来处理机械结合面，故不能精确反映结合面特性对双面锁紧刀柄/主轴联接性能的影响。
目前国内外学者大多将机械结合面考虑为并联的弹簧-阻尼单元，并通过辨识得到结合面刚度和阻尼，这样可以精确反映机械结合面特性。本发明基于结合面弹簧-阻尼模型，利用有限元软件ANSYS二次开发平台，对双面锁紧刀柄/主轴及其结合面进行参数化建模，分析其联接性能，并对双面锁紧刀柄结构关键参数进行优化设计。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有结合面仿真方法的缺陷，提供一种基于结合面弹簧-阻尼模型，利用有限元软件ANSYS仿真分析双面锁紧刀柄/主轴联接性能，并进一步优化双面锁紧刀柄关键结构参数的新方法。
本发明是采用以下技术手段实现的，实现该方法的系统包括
一种双面锁紧刀柄/主轴联接性能仿真优化方法，包括：参数化建模、结合面建模、施加边界条件、性能分析、优化设计步骤；
参数化建模步骤，利用面回转拉伸生成双面锁紧刀柄，再利用布尔操作生成刀柄上的键槽；主轴模型根据需求，直接调用已有的标准主轴模型；建模过程中，利用APDL语言定义结构参数变量；生成实体模型后，采用自由模式进行网格划分，生成有限元网格模型；
结合面建模步骤，分为锥形结合面建模和端面结合面建模；弹簧-阻尼结合面模型利用自定义矩阵单元仿真，通过for循环，在刀柄/主轴结合面生成结合面单元刚性联接刀柄/主轴结合面单元节点，并定义结合面刚度和阻尼为输入变量；
施加边界条件步骤，包括极限转速、轴承约束位置、拉刀力、切削力载荷；轴承约束定义为Fixed Support，需要手动拾取轴承约束面，其他边界条件设置为输入变量；
性能分析步骤，首先设置分析类型，包括静力学分析，模态分析，谐响应分析；静力学分析后处理中输出应力、应变分布云图、结合面应力极值、刀尖点位移；模态分析后处理中输出模态频率和模态振型图；谐响应分析进一步定义求解方法和载荷步选项，后处理中输出应力、应变或位移分量云图和关键点频响函数图；
根据上述分析结果，用户判断双面锁紧刀柄是否满足设计目标，如果满足设计要求，则最终输出该双面锁紧刀柄性能分析报告；如果未能满足设计要求，则进入优化设计模块；
优化设计步骤，系统自动调用ANSYS中的优化设计模块，用户指定碟簧刚度、端面间隙、碟簧预紧力、拉刀力为设计变量，定义性能分析中的刀尖点位移和结合面应力极值为优化目标，并设定变量取值范围，系统调入APDL优化命令流，进行优化计算，最终输出优化后的结构参数。
前述的自定义矩阵单元仿真为matrix27仿真。
前述的利用APDL语言定义结构参数变量包括：主轴型号、刀柄型号、材料属性、端面间隙、碟簧刚度、碟簧预紧力。
前述的结合面建模基于结合面弹簧-阻尼模型。
本发明一种双面锁紧刀柄/主轴联接性能仿真优化方法，与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果：
本发明基于结合面弹簧-阻尼模型，利用有限元软件ANSYS二次开发平台，对双面锁紧刀柄/主轴及其结合面进行参数化建模，分析其联接性能，并对双面锁紧刀柄结构关键参数进行了优化设计。
附图说明
图1为双面锁紧刀柄/主轴结合部模型示意图；
图2为双面锁紧刀柄/主轴联接性能仿真分析与优化设计流程图；
图3为自定义矩阵单元matrix27示意图。
其中，1为主轴，2为端面结合部单元，3为双面锁紧刀柄，4为锥形结合面单元。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明的具体实施例加以说明。
请参阅图1所示，为双面锁紧刀柄/主轴结合部模型示意图。其中，1为主轴，2为端面结合部单元，3为双面锁紧刀柄，4为锥形结合面单元。
下面结合图2，进一步阐明本发明。
(1)参数化建模模块，基于ANSYS二次开发，首先利用面回转拉伸生成双面锁紧刀柄主体，再利用布尔操作生成刀柄上的键槽。主轴模型则根据用户选择型号，直接调用已有的标准主轴模型。输入参数包括主轴型号、刀柄型号、材料属性(包括密度、弹性模量、柏松比)、端面间隙、碟簧刚度、碟簧预紧力，其中端面间隙、碟簧刚度、碟簧预紧力待优化参数。生成实体模型后，采用自由模式进行网格划分，生成有限元网格模型。
(2)结合面建模模块(参看图1所示)，基于ANSYS二次开发，包括锥形结合面建模和端面结合面建模，二者输入参数包括结合面刚度和结合面阻尼，结合面参数均为试验与理论辨识得到。利用ANSYS提供的自定义矩阵单元matrix27，仿真结合部弹簧-阻尼模型，定义结合面刚度和结合面阻尼；matrix27单元两端节点分别与双面锁紧刀柄、主轴结合面单元节点刚性连接，完成双面锁紧刀柄/主轴结合面建模。
(3)施加边界条件模块，基于ANSYS二次开发，包括极限转速、轴承约束、拉刀力、切削力载荷，其中拉刀力为待优化参数。轴承约束定义为Fixed Support，需要手动拾取轴承约束面，其他边界条件设置为输入变量。
(4)性能分析模块，首先设置分析类型，包括静力学分析，模态分析，谐响应分析。静力学分析后处理中输出应力、应变分布云图、结合面应力极值、刀尖点位移；模态分析后处理中输出模态频率和模态振型图；谐响应分析中还需要进一步定义求解方法和载荷步选项，后处理中输出应力、应变或位移分量云图和关键点频响函数图。根据上述分析结果，用户判断双面锁紧刀柄是否满足设计目标，如果满足设计要求，则最终输出该双面锁紧刀柄性能分析报告；如果未能满足设计要求，则进入优化设计模块。用户根据分析结果判断该双面锁紧刀柄是否满足设计要求，并参考动力学分析结果确定双面锁紧刀柄工作参数范围。
(5)优化设计模块，系统自动调用ANSYS中的优化设计模块，用户指定碟簧刚度、端面间隙、碟簧预紧力、拉刀力为设计变量，定义性能分析中的刀尖点位移和结合面应力极值为优化目标，并设定变量取值范围，系统调入APDL优化命令流，进行优化计算，最终输出优化后的结构参数。
所述的参数化建模，系统根据用户选择的刀柄、主轴型号和输入的结构参数，修改已有的APDL命令流，生成都双面锁紧刀柄/主轴模型，然后自动进行网格划分。同时该模块具有可扩展性，可以根据需要添加不同类型双面锁紧刀柄、主轴模型。
所述的结合面建模，系统根据输入的结合面刚度和结合面阻尼，自动计算出单个结合面单元(MATRIX27单元)参数，然后生成双面锁紧刀柄/主轴结合面单元，联接双面锁紧刀柄/主轴结合面单元节点。
所述的边界条件，系统根据输入的边界条件参数，修改APDL命令流，自动加载边界条件，其中轴承约束另需要手动拾取约束面。
所述的性能分析，包括静力学分析和动力学分析，得到双面锁紧刀柄应力分布、应变分布、刀尖点位移、结合面应力极值、模态频率、模态振型以及频响特性。
所述的优化设计，用户指定碟簧刚度、端面间隙、碟簧预紧力、拉刀力为设计变量，定义性能分析中的刀尖点位移和结合面应力极值为优化目标，并设定变量取值范围，自动进行优化计算，最终输出优化后的结构参数。
本系统结合面建模模块中使用自定义矩阵单元matrix27对弹簧-阻尼结合部模型进行仿真，此单元的性质，保证了在结合面仿真分析过程中的可行性和可靠性。在ANSYS程序中matrix27单元可以代表一种任意单元。该单元由两个节点和系数矩阵定义。其中每个节点有6个自由度，分别是沿节点坐标系x、y、z方向的平动和绕节点坐标系x、y、z方向的转动。该单元的几何特性无定义，但其弹性运动学响应可用刚度、阻尼或者质量系数来指定，即刚度、阻尼和质量矩阵中的常数可以作为单元的实常数输入。图3是MATRIX27矩阵单元系数示意图，由图可知，其是一个12×12的矩阵单元。在模拟等效刚度单元时，C1、C58、C7模拟X方向的的刚度，C13、C64、C19模拟Y方向的刚度，C24、C69、C30模拟Z方向的刚度。在模拟等效阻尼单元时，C1、C58、C7模拟X方向的阻尼，C13、C64、C19模拟Y方向的阻尼，C24、C69、C30模拟Z方向的阻尼。

Claims (4)

1.一种双面锁紧刀柄/主轴联接性能仿真优化方法，包括：参数化建模、结合面建模、施加边界条件、性能分析、优化设计步骤；其特征在于：
所述的参数化建模步骤，利用面回转拉伸生成双面锁紧刀柄，再利用布尔操作生成刀柄上的键槽；主轴模型根据需求，直接调用已有的标准主轴模型；建模过程中，利用APDL语言定义结构参数变量；生成实体模型后，采用自由模式进行网格划分，生成有限元网格模型；
所述的结合面建模步骤，分为锥形结合面建模和端面结合面建模；弹簧-阻尼结合面模型利用自定义矩阵单元仿真，通过for循环，在刀柄/主轴结合面生成结合面单元刚性联接刀柄/主轴结合面单元节点，并定义结合面刚度和阻尼为输入变量；
所述的施加边界条件步骤，包括极限转速、轴承约束位置、拉刀力、切削力载荷；轴承约束定义为Fixed Support，需要手动拾取轴承约束面，其他边界条件设置为输入变量；
所述的性能分析步骤，首先设置分析类型，包括静力学分析，模态分析，谐响应分析；静力学分析后处理中输出应力、应变分布云图、结合面应力极值、刀尖点位移；模态分析后处理中输出模态频率和模态振型图；谐响应分析进一步定义求解方法和载荷步选项，后处理中输出应力、应变或位移分量云图和关键点频响函数图；
根据上述分析结果，用户判断双面锁紧刀柄是否满足设计目标，如果满足设计要求，则最终输出该双面锁紧刀柄性能分析报告；如果未能满足设计要求，则进入优化设计模块；
所述的优化设计步骤，系统自动调用ANSYS中的优化设计模块，用户指定碟簧刚度、端面间隙、碟簧预紧力、拉刀力为设计变量，定义性能分析中的刀尖点位移和结合面应力极值为优化目标，并设定变量取值范围，系统调入APDL优化命令流，进行优化计算，最终输出优化后的结构参数。
2.根据权利要求1所述的双面锁紧刀柄/主轴联接性能仿真优化方法，其特征在于：所述的自定义矩阵单元仿真为matrix27仿真。
3.根据权利要求1所述的双面锁紧刀柄/主轴联接性能仿真优化方法，其特征在于：所述的利用APDL语言定义结构参数变量包括：主轴型号、刀柄型号、材料属性、端面间隙、碟簧刚度、碟簧预紧力。
4.根据权利要求1所述的双面锁紧刀柄/主轴联接性能仿真优化方法，其特征在于：所述的结合面建模基于结合面弹簧-阻尼模型。
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