【正文】 比較高的。對(duì)于第4階和第6階出現(xiàn)的箱體內(nèi)支撐板的嚴(yán)重變形，在優(yōu)化后變形量減小了；其次5階后箱體出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)變形也有所改善；對(duì)于扭轉(zhuǎn)變形最厲害的7階，在優(yōu)化后，箱體側(cè)壁的變形量明顯減小，且扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象有所減弱。綜上可得：對(duì)于前幾階出現(xiàn)的箱體的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，可通過(guò)在右側(cè)箱體底面增加螺栓以加強(qiáng)主軸箱與床身的穩(wěn)定，保證主軸箱在車床上的位置。 C6150主軸箱模態(tài)分析小結(jié)通過(guò)ANSYS軟件采用有限元分析方法，對(duì)主軸箱箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，獲得了主軸箱箱體結(jié)構(gòu)的前15階固有頻率和振型，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)作了準(zhǔn)備。(3) 通過(guò)各階總變形圖可以看出，在大多數(shù)階次下，箱體中間支撐板和箱體側(cè)面的振幅比較大，且變形較為嚴(yán)重，從中看出此處是主軸箱的薄弱環(huán)節(jié)，后續(xù)優(yōu)化部分應(yīng)考慮此處。 模態(tài)計(jì)算結(jié)果主軸箱結(jié)構(gòu)前十五階固有頻率、振幅及振型描述（1）各階固有頻率如下表表1 各階固有頻率表階次固有頻率/Hz振型描述1沿Y軸方向擺動(dòng)，左側(cè)面連接部分振型明顯2沿Z軸方向擺動(dòng)，左側(cè)面連接部分振型明顯3沿X軸方向擺動(dòng)，右側(cè)面連接部分和底面凸臺(tái)處振型明顯4內(nèi)支撐板沿Y方向左右擺動(dòng)，兩支撐板頂部振型明顯5箱體扭轉(zhuǎn)，左側(cè)面連接部分振型明顯6內(nèi)支撐板沿X方向左右擺動(dòng)，兩支撐板頂部振型明顯7沿Y方向彎曲，后側(cè)面中段振型明顯8沿Y方向彎曲，后側(cè)面中段振型明顯9沿Y方向彎曲，前側(cè)面中段振型明顯10箱體扭轉(zhuǎn)，左側(cè)面和后側(cè)面中段振型明顯11內(nèi)支撐板沿Y方向左右擺動(dòng)，支撐板頂部振型明顯12沿X方向彎曲，左側(cè)面和前側(cè)面中段振型明顯13箱體扭轉(zhuǎn)，后側(cè)面中段振型明顯14內(nèi)支撐板沿Y方向左右擺動(dòng)，支撐板頂部振型明顯15內(nèi)支撐板沿Y方向左右擺動(dòng)，支撐板頂部振型明顯（2）各階振型如下圖 1階振型 2階振型 3階振型 4階振型 5階振型 6階振型 7階振型 8階振型 9階振型 10階振型 11階振型 12階振型 13階振型 14階振型 15階振型圖8 各階振型圖（3）各階總變形如下圖 1階總變形 2階總變形 3階總變形 4階總變形 5階總變形 6階總變形 7階總變形 8階總變形 9階總變形 10階總變形 11階總變形 12階總變形 13階總變形 14階總變形 15階總變形圖9 各階總變形圖 模態(tài)分析結(jié)果(1) 從前15階固有頻率可以看出，前三階頻率都非常小，均在100以下，,而車床主軸轉(zhuǎn)速范圍在361400r/min，根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速及主軸上齒輪的最大齒數(shù)為28，,所以在12階模態(tài)以下時(shí)，車床主軸可能與箱體發(fā)生共振。然后依次點(diǎn)擊GUI Main Menu Solution SolveCurrent LS開(kāi)始求解。在典型的模態(tài)分析中唯一有效的“載荷”是零位移約束，如果在某個(gè)DOF處指定了一個(gè)非零位移約束，則以零位移約束替代DOF處的設(shè)置。(3)Number of Modes to Extract：機(jī)床結(jié)構(gòu)是個(gè)連續(xù)體，質(zhì)量和彈性都是連續(xù)分布的，所以應(yīng)具有無(wú)窮多個(gè)自由度，也就是無(wú)窮多階模態(tài)。具體步驟是：GUI Main MenuPreprocessorMeshingMesh Tool,選中Smart Size，將數(shù)值設(shè)為6，點(diǎn)擊Mesh，選擇Pick all，進(jìn)行智能劃分。如長(zhǎng)度單位是米，輸入的壓強(qiáng)單位不能是N／mm2。本課題中的主軸箱設(shè)計(jì)所使用的材料是灰鐵HT200，其參數(shù)如下：彈性模量：E=1．3e11 N／m2。(2)定義材料特性 ANSYS中的所有分析都需要輸入材料屬性。針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)模型，需要選擇不同的單元類型，ANSYS的單元類型有：實(shí)體單元、梁／管單元、殼／膜彈元、桿／索單元、彈簧單元、接觸單元、表面效應(yīng)單元、質(zhì)量單元、超單元等。如下圖所示圖5 主軸箱實(shí)體圖 定義單元屬性在生成節(jié)點(diǎn)和單元網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分之前，必須定義合適的單元屬性。 C6150主軸箱結(jié)構(gòu)有限元模態(tài)分析 建立模型（1） 運(yùn)用solidworks建立主軸箱體三維立體圖主軸箱體的三視圖如下圖所示：圖3 主軸箱體三視圖運(yùn)用solidworks建立三維立體圖的步驟是：1）畫(huà)出草圖，拉伸出主軸箱實(shí)體2）以主軸箱實(shí)體上表面為基準(zhǔn)面畫(huà)草圖，拉伸切除得到主軸箱殼體3）以殼體內(nèi)底面為基準(zhǔn)畫(huà)草圖，拉伸得到箱體內(nèi)支撐板4）以箱體各側(cè)面為基準(zhǔn)面畫(huà)草圖，拉伸切除得到各側(cè)面主軸孔5）畫(huà)出底座兩個(gè)螺紋孔并對(duì)主軸箱體倒角最后得到的主軸箱三維立體圖如下圖圖4 主軸箱三維立體圖（2） 將solidworks圖形導(dǎo)入ANSYS中 1）先在solidworks中建立模型，檢查無(wú)誤后將當(dāng)前模型另存為 *.x_t格式，即保存類型選擇Parasolid(*.x_t)。（4）觀察結(jié)果模態(tài)分析的結(jié)果被寫入結(jié)構(gòu)分析結(jié)果文件Jobname．RST中。在車床的主軸箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究模態(tài)分析中必須指定彈性模量EX和密度DENS，而且非線性特性將被忽略。對(duì)于有支撐約束的結(jié)構(gòu)，對(duì)K和M進(jìn)行邊界條件處理之后，總剛陣是對(duì)稱正定矩陣，則由式(9)解出的廣義特征值λ一定是正實(shí)數(shù)，從而可以算出彈性結(jié)構(gòu)的n個(gè)固有頻率： (10)對(duì)于沒(méi)有支撐而處于自由狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，K和M不進(jìn)行邊界條件處理，總剛陣是對(duì)稱半正定矩陣，由式(8)算出的一部分廣義特征值為零，沒(méi)有實(shí)際意義。顯然，如此求得的w就是結(jié)構(gòu)的固有頻率，而留就給出了相應(yīng)的振型。將式（3）對(duì)時(shí)間求一階、二階導(dǎo)數(shù)，得： (4) (5)將（3）式和（5）式代入（2）式中得： (6)即: (7)需要尋求式(7)所示的彈性結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)振幅列陣q和ω，就轉(zhuǎn)化為找尋數(shù)量為ω178。模態(tài)分析反應(yīng)了結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，與施加的外載荷無(wú)關(guān)。對(duì)于一個(gè)多自由度系統(tǒng)，它的運(yùn)動(dòng)微分方程為: ， M為質(zhì)量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣。（5）對(duì)優(yōu)化后的主軸箱進(jìn)行加工工藝設(shè)計(jì)，主要包括零件圖的分析、選擇定位基準(zhǔn)、擬定工藝路線、計(jì)算切削用量和填寫加工工藝卡等。（2）運(yùn)用solidworks三維軟件建立C6150主軸箱的三維實(shí)體模型，即將現(xiàn)有的主軸箱的二維圖紙轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體模型。 現(xiàn)實(shí)意義通過(guò)模態(tài)分析，可以得到箱體的振動(dòng)情況并分析出箱體的薄弱環(huán)節(jié)，最后以此找到解決振動(dòng)和噪聲問(wèn)題。所以只要考慮從最低頻率開(kāi)始的有限個(gè)固有模態(tài)就足夠了。目前幾乎所有的商業(yè)化有限元程序系統(tǒng)都建立了對(duì)用戶非常友好的人機(jī)交換界面，使用戶能以可視圖形方式直觀快速地進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分，生成有限元分析所需資料，并按要求將大量的計(jì)算結(jié)果整理成變形圖、等值分布云圖，便于極值搜索和所需資料的列表輸出。對(duì)于有限元技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，已經(jīng)從單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算發(fā)展到求解多物理場(chǎng)問(wèn)題。模態(tài)分析技術(shù)開(kāi)始于20世紀(jì)30年代，經(jīng)過(guò)70多年的發(fā)展，模態(tài)分析已經(jīng)成為振動(dòng)工程中一個(gè)重要分支。由于機(jī)床在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，表現(xiàn)較為明顯的就是主軸箱，對(duì)于主軸箱的振動(dòng)，它不但會(huì)嚴(yán)重影響車床的加工精度，進(jìn)而導(dǎo)致零件的加工質(zhì)量下降，而且還浪費(fèi)工時(shí)，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)分析箱體的計(jì)算結(jié)果可知該主軸箱的各階振型主要表現(xiàn)為擺動(dòng)和扭轉(zhuǎn)，會(huì)影響車床工作的穩(wěn)定性和安全性，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使箱體的振動(dòng)性得到改善。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人授權(quán)　　 　 　大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。而模態(tài)分析是動(dòng)態(tài)分析中的一個(gè)重要部分，我們利用ANSYS有限元分析軟件建立有限元模型并對(duì)C6150車床主軸箱進(jìn)行模態(tài)分析，獲得了車床主軸箱的固有頻率和振型，通過(guò)各階固有頻率的分析，我們可以調(diào)節(jié)箱體中其它部件的頻率，以避免產(chǎn)生共振；通過(guò)對(duì)各階固有振型的分析找出箱體的薄弱環(huán)節(jié)并對(duì)其進(jìn)行改善。隨著科學(xué)技術(shù)與社會(huì)需求的飛速發(fā)展，對(duì)機(jī)床加工質(zhì)量、切削效率和自動(dòng)化程度的要求也越來(lái)越高，機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性就成為機(jī)床設(shè)計(jì)與制造中一項(xiàng)很重要的問(wèn)題。 主軸箱作為齒輪箱的一種，人們對(duì)其振動(dòng)的研究早在一個(gè)世紀(jì)前就開(kāi)始了，但直到六十年代中期，齒輪的振動(dòng)問(wèn)題作為評(píng)價(jià)主軸箱裝置好壞的重要因素引起了世界范圍內(nèi)的廣發(fā)關(guān)注。利用實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果檢驗(yàn)、補(bǔ)充和修正原始有限元?jiǎng)恿Ψ治瞿Ｐ?；利用修正后的有限元模型?jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性和響應(yīng)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。與此同時(shí)還增強(qiáng)了可視化的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理功能。但是，實(shí)際上它的動(dòng)力特性主要由少數(shù)一些低階模態(tài)決定，只要應(yīng)用這些模態(tài)就可以相當(dāng)精確地表達(dá)它的動(dòng)力特性。通過(guò)對(duì)主軸箱的模態(tài)分析我們可以想到，主軸箱體作為一個(gè)裝配體，它的加工精度不僅受主軸箱本身精度的影響，同時(shí)還受裝配在主軸箱內(nèi)的各軸的影響，裝配質(zhì)量同樣影響車床整體的加工精度，而且影響甚大，這就讓我們想到了一個(gè)問(wèn)題：同樣的高精度機(jī)床，拆卸之后再裝配回去卻達(dá)不到之前的加工精度了。 主要研究?jī)?nèi)容（1）研究C6150車床的整體構(gòu)造，特別是對(duì)車床中的一個(gè)基礎(chǔ)件主軸箱的研究，主要是關(guān)于主軸箱與其相接觸的各零部件的結(jié)構(gòu)形式，如主軸箱內(nèi)的各主軸以及坐落在其上的掛輪箱，對(duì)C6150主軸箱部分進(jìn)行受力分析以及主軸箱與床身和主軸的相對(duì)位置的確定。（4）對(duì)箱體的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)改進(jìn)箱體局部結(jié)構(gòu)或者尺寸以達(dá)到改善箱體振動(dòng)特性的目的，對(duì)改進(jìn)后的箱體重新做一次模態(tài)分析，比較優(yōu)化前后箱體的振型或者總變形，看箱體的振動(dòng)特性是否得到改善。通過(guò)對(duì)單自由度系統(tǒng)的分析可知，它有一個(gè)固有頻率和固有振型。在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題中結(jié)構(gòu)固有頻率和固有振型是動(dòng)力學(xué)問(wèn)題分析的基礎(chǔ)。由于彈性體的自由振動(dòng)總可以分解為一系列簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加，為了求解結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)的固有頻率及相應(yīng)的振型，考慮如下簡(jiǎn)諧振動(dòng)的解，即假設(shè) (3)式中：q節(jié)點(diǎn)位移的振幅矩陣，它與時(shí)間無(wú)關(guān)； 固有頻率； t時(shí)間。和q分別稱為廣義特征值和廣義特征向量。如果將式(9)展開(kāi)，則得λ的n次代數(shù)方程，由此可解出n個(gè)廣義特征值。材料的性質(zhì)可以是線性的或非線性的、各向同性的或各項(xiàng)異性的、恒定的或和溫度相關(guān)的。具體方法是：再次進(jìn)入ANSYS求解器，激活擴(kuò)展處理及相關(guān)選項(xiàng)，指定載荷步選項(xiàng)，開(kāi)始擴(kuò)展處理，退出SOLUTION。觀察結(jié)果數(shù)據(jù)的過(guò)程是t讀入合適子步的結(jié)果數(shù)據(jù)，執(zhí)行后處理操作。4）現(xiàn)在看到的模型是 線框，PlotCtrls→Style→Solid Model Facets→下拉框中選擇 Normal Faceting→OK, 鼠標(biāo)右鍵 選擇 Replot重生，即可看到實(shí)體了。單元類型決定了單元的自由度數(shù)和單元位于二維空間還是三維空間。由于主軸箱結(jié)構(gòu)為空間不規(guī)則幾何體，故選用SOLIDl86單元。在一個(gè)分析中可能有多個(gè)材料特性，ANSYS通過(guò)參考號(hào)來(lái)識(shí)別每個(gè)材料特性。(3)單位的選擇 對(duì)于ANSYS中的單位問(wèn)題，除了磁場(chǎng)分析外，可使用任意一種單位制，只要保證輸入的所有數(shù)據(jù)都是使用同一單位制里的單位就行。主軸箱結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可采用智能網(wǎng)格劃分，6級(jí)精度SOLIDl86單元。(2)Mode Extraction Method：選擇模態(tài)提取方法為Block Lanczosmethod(默認(rèn))蘭索斯法。 施加邊界條件并求解圖7 復(fù)合面導(dǎo)軌首先，C6150主軸箱體與底座的固定采用的是復(fù)合面導(dǎo)軌，如上圖所示，左側(cè)V形面和底面V形導(dǎo)軌嚙合，限制了V形面即箱體的移動(dòng)，底面V形導(dǎo)軌下側(cè)裝有螺栓，使