1 轴的三维实体建模

Pro/E 进行三维立体建模时，可以先画出实体的形状，然后在图案中标出设计好的尺寸，把尺寸参数化就可以得到需要的三维立体模型。 可以大大减少工作量，提高制图的质量。 本文以参数化思想进行绘制，带来了很多方便。 如图 1 所示。

图 1 轴的三维实体模型

2 运动仿真的工作界面

运动仿真是 Pro/Engineer 模块中的主要部分。Pro/Engineer 可以对凸台、槽、倒角、腔等进行特征驱动；对绘制的模型和图形进行参数化；可以对各种大型的、复杂的机构机型设计和仿真；设计的每个零部件和模块都是相互关联的，任何地方的改变，都会引起和它相关的零部件和模块的变化。 通过 Pro/En- gineer ，进行三维实体建模，然后仿真。

2.1 参数设置

在运动程序里面选择机构，进入仿真环境。

首先运动轴用销钉联接，创建齿轮副确保传动， 输入各个齿轮的尺寸参数，如图 2 所示。

然后添加电动机，选择运动轴，如图 3 所示。 之后，进行分析定义，修改参数，如图 4 所示。

图 2 创建齿轮副 图 3 选取电机

2.2 运动分析

分析定义有位置、动态、静态、力学平衡几种方式，这里选择动态。 建立分析，如图 5 所示。

（1）选取第 1 测试点，测量如图 6 所示；

（2）选取第 2 点测量，如图 7 所示。

图 4 参数设置

图 5 建立分析

图 6 齿轮分析图

图 7 测量图

图 8 振型图

3 主轴的模态分析

模态分析可以确定部件和组装件的固有频率， 从而防止产生共振之类的事故发生。 进行模态分析的计算和试验，可以确定固有频率、阻尼比和模态振型的参数。如果它的固有频率和工作频率十分接近， 会影响它的使用质量和寿命，还可能带来更严重的安全事故。 因此模态分析尤其重要。

3.1 模态分析

进入模态分析模式，模式数选择 8，输入最小频率，弹出对话框，选择模态分析，开始运行，分析结果如图 8 所示。

3.2 模态分析结果

分析结果如表 1 所示。

研究表明，支撑刚度增加，固有频率提高，同时伴有振型的改变。

3 热力学分析

3.1 创建热力载荷

热力学载荷相当于结构分析中的载荷，用以对模型施加热力。 可以对模型的几何元素点、线、面和原件进行热力载荷。

（1）发热量的计算

轴承产生的热量

式中 n———轴承转速；

f0———考虑轴承结构类型和润滑类型的系数；

υ0———润滑脂的工作黏度，m2/s；

dm———轴承中径；

μ0———与负荷及轴承结构类型有关的摩擦系数；

f1———反应负荷方向的系数；

F———轴承负荷。

当主轴转速为 1 500 r/min 时，计算得到前后轴承的摩擦力矩分别为 0.7 Nm 和 0.54 Nm，发热量分别为 141 kW 和 107 kW。

（2）对流系数的计算

根据经验，对流系数一般取 10~20 W/m2℃。

（3） 建立热力载荷

选取参照曲面； 热分布选择总载荷； 空间变化选择均匀；时间变化选择稳态。

4.2 分析结果

定义分析结果，最后结果如图 9 所示。 热变形误差主要发生在轴向 z 方向，是构成综合热位移的主要分量。径向 x 随着温度继续升高，位移并不像预料中那样增加，而是稍有减少；径向 y 方向的位移变化非常缓慢。产生这种现象是因为 x 方向，随着继续升温，热位移应该随着热胀而增大，但是主轴的轴线同时也因热变形而发生了倾斜，倾斜的方向与热胀方向相反，因而出现了位移反而减少的现象。 y 方向由于模型基本是轴对称的，所以轴中心线上的点在 y 方向的位置基本不会变化，所以在 y 方向热位移很小。

图 9 热学分析图

5 结语

（1）通过对主轴的研究，以三维建模为桥梁，构建了工程及产品结构分析过程的广义CAD 平台，为CAD 和CAE 技术奠定了基础；
（2）应用三维CAD 软件Pro/E，对基于特征的零件实体建模技术和虚拟装配及运动仿真技术进行了初步探讨，并以其为基础，完成了基于特征的主轴关键零件建模和虚拟装配及其虚拟运动仿真，且通过对静态干涉分析检查等工作，验证了所建模型符合要求；
（3）通过ANSYS 系统对主轴进行模态与热力学有限元分析， 可以得出主轴的振型情况以及受热变形，同时也发现了分析过程中的不足-振动频率过高。这是因为轴的模态分析是在轴固定不动的情况下进行的分析，轴的两端由轴承进行定位，所以在轴的两端进行了全约束，这必将导致频率的增大，如果在轴两端施加轴承刚度进行分析的话，频率将会大幅度降低；
（4）通过ANSYS 的模态与热力学有限元分析，为主轴系统的设计打下了良好的实验基础，也为以后的课题深入研究提供了依据。由于对ANSYS 的了解和学习的局限性，没有对关键轴进行的有限元分析，所以期望后续的工作上做出更进一步的优化与分析。