【正文】 比較高的。對于第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：對于前幾階出現(xiàn)的箱體的平動和轉(zhuǎn)動，可通過在右側(cè)箱體底面增加螺栓以加強主軸箱與床身的穩(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ANSYS軟件采用有限元分析方法，對主軸箱箱體結(jié)構(gòu)進行了模態(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)計作了準(zhǔn)備。(3) 通過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，左側(cè)面連接部分振型明顯2沿Z軸方向擺動，左側(cè)面連接部分振型明顯3沿X軸方向擺動，右側(cè)面連接部分和底面凸臺處振型明顯4內(nèi)支撐板沿Y方向左右擺動，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，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，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，支撐板頂部振型明顯15內(nèi)支撐板沿Y方向左右擺動，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，車床主軸可能與箱體發(fā)生共振。然后依次點擊GUI Main Menu Solution SolveCurrent LS開始求解。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DOF處指定了一個非零位移約束，則以零位移約束替代DOF處的設(shè)置。(3)Number of Modes to Extract：機床結(jié)構(gòu)是個連續(xù)體，質(zhì)量和彈性都是連續(xù)分布的，所以應(yīng)具有無窮多個自由度，也就是無窮多階模態(tài)。具體步驟是：GUI Main MenuPreprocessorMeshingMesh Tool,選中Smart Size，將數(shù)值設(shè)為6，點擊Mesh，選擇Pick all，進行智能劃分。如長度單位是米，輸入的壓強單位不能是N／mm2。本課題中的主軸箱設(shè)計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 主軸箱實體圖 定義單元屬性在生成節(jié)點和單元網(wǎng)格進行網(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 主軸箱體三視圖運用solidworks建立三維立體圖的步驟是：1）畫出草圖，拉伸出主軸箱實體2）以主軸箱實體上表面為基準(zhǔn)面畫草圖，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)面畫草圖，拉伸切除得到各側(cè)面主軸孔5）畫出底座兩個螺紋孔并對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。對于有支撐約束的結(jié)構(gòu)，對K和M進行邊界條件處理之后，總剛陣是對稱正定矩陣，則由式(9)解出的廣義特征值λ一定是正實數(shù)，從而可以算出彈性結(jié)構(gòu)的n個固有頻率： (10)對于沒有支撐而處于自由狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，K和M不進行邊界條件處理，總剛陣是對稱半正定矩陣，由式(8)算出的一部分廣義特征值為零，沒有實際意義。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）對時間求一階、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)的固有振動特性，與施加的外載荷無關(guān)。對于一個多自由度系統(tǒng)，它的運動微分方程為: ， M為質(zhì)量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣。（5）對優(yōu)化后的主軸箱進行加工工藝設(shè)計，主要包括零件圖的分析、選擇定位基準(zhǔn)、擬定工藝路線、計算切削用量和填寫加工工藝卡等。（2）運用solidworks三維軟件建立C6150主軸箱的三維實體模型，即將現(xiàn)有的主軸箱的二維圖紙轉(zhuǎn)化為三維實體模型。 現(xiàn)實意義通過模態(tài)分析，可以得到箱體的振動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和噪聲問題。所以只要考慮從最低頻率開始的有限個固有模態(tài)就足夠了。目前幾乎所有的商業(yè)化有限元程序系統(tǒng)都建立了對用戶非常友好的人機交換界面，使用戶能以可視圖形方式直觀快速地進行網(wǎng)格自動劃分，生成有限元分析所需資料，并按要求將大量的計算結(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。對于有限元技術(shù)的發(fā)展趨勢，已經(jīng)從單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計算發(fā)展到求解多物理場問題。模態(tài)分析技術(shù)開始于20世紀(jì)30年代，經(jīng)過70多年的發(fā)展，模態(tài)分析已經(jīng)成為振動工程中一個重要分支。由于機床在工作過程中會產(chǎn)生振動，表現(xiàn)較為明顯的就是主軸箱，對于主軸箱的振動，它不但會嚴(yán)重影響車床的加工精度，進而導(dǎo)致零件的加工質(zhì)量下降，而且還浪費工時，帶來經(jīng)濟損失。在設(shè)計過程中通過分析箱體的計算結(jié)果可知該主軸箱的各階振型主要表現(xiàn)為擺動和扭轉(zhuǎn)，會影響車床工作的穩(wěn)定性和安全性，通過優(yōu)化設(shè)計，可使箱體的振動性得到改善。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。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)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。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)庫進行檢索，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)分析是動態(tài)分析中的一個重要部分，我們利用ANSYS有限元分析軟件建立有限元模型并對C6150車床主軸箱進行模態(tài)分析，獲得了車床主軸箱的固有頻率和振型，通過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；通過對各階固有振型的分析找出箱體的薄弱環(huán)節(jié)并對其進行改善。隨著科學(xué)技術(shù)與社會需求的飛速發(fā)展，對機床加工質(zhì)量、切削效率和自動化程度的要求也越來越高，機床的動態(tài)特性就成為機床設(shè)計與制造中一項很重要的問題。 主軸箱作為齒輪箱的一種，人們對其振動的研究早在一個世紀(jì)前就開始了，但直到六十年代中期，齒輪的振動問題作為評價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。利用實驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果檢驗、補充和修正原始有限元動力分析模型；利用修正后的有限元模型計算結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性和響應(yīng)，并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。與此同時還增強了可視化的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理功能。但是，實際上它的動力特性主要由少數(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)精確地表達它的動力特性。通過對主軸箱的模態(tài)分析我們可以想到，主軸箱體作為一個裝配體，它的加工精度不僅受主軸箱本身精度的影響，同時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問題：同樣的高精度機床，拆卸之后再裝配回去卻達不到之前的加工精度了。 主要研究內(nèi)容（1）研究C6150車床的整體構(gòu)造，特別是對車床中的一個基礎(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C6150主軸箱部分進行受力分析以及主軸箱與床身和主軸的相對位置的確定。（4）對箱體的薄弱環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，通過改進箱體局部結(jié)構(gòu)或者尺寸以達到改善箱體振動特性的目的，對改進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，看箱體的振動特性是否得到改善。通過對單自由度系統(tǒng)的分析可知，它有一個固有頻率和固有振型。在結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題中結(jié)構(gòu)固有頻率和固有振型是動力學(xué)問題分析的基礎(chǔ)。由于彈性體的自由振動總可以分解為一系列簡諧振動的疊加，為了求解結(jié)構(gòu)自由振動的固有頻率及相應(yīng)的振型，考慮如下簡諧振動的解，即假設(shè) (3)式中：q節(jié)點位移的振幅矩陣，它與時間無關(guān)； 固有頻率； t時間。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，則得λ的n次代數(shù)方程，由此可解出n個廣義特征值。材料的性質(zhì)可以是線性的或非線性的、各向同性的或各項異性的、恒定的或和溫度相關(guān)的。具體方法是：再次進入ANSYS求解器，激活擴展處理及相關(guān)選項，指定載荷步選項，開始擴展處理，退出SOLUTION。觀察結(jié)果數(shù)據(jù)的過程是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。在一個分析中可能有多個材料特性，ANSYS通過參考號來識別每個材料特性。(3)單位的選擇 對于ANSYS中的單位問題，除了磁場分析外，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，底面V形導(dǎo)軌下側(cè)裝有螺栓，使