基于ANSYS的某機床主軸基座的模態分析

占曉煌+吳石+占曉明

【摘 要】用模態分析可以確定一個結構的固有頻率和振型，固有頻率和振型是承受動載荷結構設計的重要參數。故以該主軸基座為研究對象，利用三維軟件SolidWorks建立了其三維模型，并使用有限元分析軟件ANSYS對基座進行模態分析。分析得到基座的前十階固有頻率遠大于基座的振動源頻率，主軸基座在工作過程中不會發生共振。

【關鍵詞】基座；ANSYS；模態分析；固有頻率

【Abstract】Modal analysis is used to determine the natural frequency and vibration mode of a structure， which are significant parameters in under dynamic load structure design. With the spindle base as the research object， SolidWorks is used to build a 3D modal and the ANSYS is adopted to make a modal analysis on foundation support. The result of this research shows that the first ten natural frequencies are much greater than the b the vibration source frequency and the Spindle base will not produce resonance when it works.

【Key words】ANSYS； Modal analysis； Natural frequency

0 引言

在進行結構設計時，僅靠單純的靜態設計和經驗設計已不能完全滿足目前工程的要求，必須考慮各種動態因素，并對結構進行詳細的動力分析，以達到抗振、安全、可靠的目的。

用模態分析可以確定一個結構的固有頻率和振型，固有頻率和振型是承受動載荷結構設計的重要參數[1]。

本文運用三維軟件SolidWorks和有限元軟件ANSYS對某超聲機床主軸基座進行模態分析，根據分析的結果提出優化策略。本研究對實現車床床身動態特性優化和指導實際生產都具有重要意義。

1 幾何模型建立

模態分析是建立有限元模型基礎之上，建立有限元模型有兩種方法：（1）對于比較簡單的模型，采用ANSYS有限元軟件自帶功能建立有限元模型；（2）對于結構復雜的模型，一般先采用三維建模軟件建立幾何模型，然后將幾何模型導入到ANSYS有限元軟件中完成有限元模型[2]。

由于主軸基座機構復雜，故本文采用三維建模軟件SolidWorks進行結構件的幾何建模。為了減少計算機工作量、提高工作效率，同時又不失精度，在建模時對模型進行以下簡化：（1）忽略一些尺寸較小且不作為主要承力部件以及不會影響機床整體強度和剛度的部位，如螺紋孔、線路孔等；（2）將部分離應力集中區域較遠的圓弧過渡簡化為直角，而且一些在工藝上需要的倒角、拔模斜度等都不考慮。SolidWorks建立的主軸基座幾何建模如圖1所示。

圖1 主軸基座幾何模型

2 ANSYS模態分析

ANSYS軟件作為一個大型通用有限元分析軟件，能夠用于結構、熱、流體、電磁、聲學等學科的研究，廣泛應用于土木工程、地質礦產、水利、鐵道、汽車交通、國防軍工、航天航空、船舶、機械制造、核工業、化工、輕工、電子、日用家電和生物醫學等一般工業及科學研究工作。由于各專業之間可以互相兼容，因此ANSYS極大地提高了工作人員的工作效率，是現代工程設計人員必不可少的工具之一[3]。

ANSYS的模態分析過程包括三大步驟：建立模型、加載求解和后處理[4-5]。

2.1 建立模型

先將SolidWorks建立的幾何建模以Parasolid格式保存[2]，并將其導入到ANSYS；而后將導入的線框模型進行修復以形成幾何實體模型建立。如要建立有限元模型還必須進行定義材料屬性、實常數和材料單元類型屬性、劃分網格等步驟。

由于基座為實體復雜結構，故選用Solid45為有限元模型網格劃分時單元。而主軸基座所用材料為45#鋼，其彈性模量、泊松比和密度基本參數如表1所示。

表1 主軸基座材料基本參數

網格劃分產生的單元數量直接影響計算量和計算精度，本次采用自由（Free）網格劃分，并使用Global控制單元大小，并對局部細化處理。經網格劃分得到機床主軸基座的有限元模型如圖2所示，共生成了12399節點和55547單元。

圖2 主軸基座有限元模型

2.2 加載及求解

本文采用模態分析中的分塊法（BlockLanczos）進行模態分析求解，在機床實際工作過程中，主軸的轉速一般不超過20000r/min，即主軸的頻率為334Hz以內，故取前10階的模態及固有頻率。

對該機床裝配分析可知，主軸基座通過采用聯接件將底面固定，因此在ANSYS定義載荷時將基座底端面三個方向的自由度（UX，UY，UZ）全部被約束。最后通過CurrentLS方式對基座進行模態分析求解計算。

2.3 查看結果

在ANSYS后處理模塊中查看計算所得基座前十（下轉第27頁）（上接第9頁）階模態的固有頻率，基座的前十階固有頻率如表2所示。

表2 基座前十階固有頻率

從分析的結果可以看出基座的1階固有頻率為860.29Hz，而機床主軸的頻率不超過334Hz，因此基座的固有頻率遠大于基座的振動源主軸的頻率，所以在工作過程中不會發生共振。由于在模態分析前已經進行了結構靜力分析且符合要求，因此基座結構設計達到預期要求。

3 結論

1）本文采用三維設計軟件SolidWorks建立了基座的幾何模型；

2）通過對基座進行模態分析，得出其前10階固有頻率和振型；

3）通過分析可知，基座的固有頻率遠大于基座的振動源主軸的頻率為334Hz，因此在工作過程中不會發生共振，基座結構設計符合要求；

4）與傳統的設計方法相比，用有限元的方法來進行結構件的設計，可大幅度提高設計的合理性和經濟性。

【參考文獻】

[1]張洪信，管殿柱.有限元基礎理論與ANSYS11.0應用[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2]沈璽，方鵬，宋小肯.淺談ANSYS與SolidWorks的數據交換[J].裝備制造技術，2006（5）.

[3]傅志芳，華宏星.模態分析理論與應用[Ml.上海：上海交通大學出版社，2000.

[4]ANSYS工程應用教程機械篇[Ml.北京：中國鐵道出版社，2003.

[5]ANSYS10.0工程分析實例詳解[Ml.北京：人民郵電出版社，2003.

[責任編輯：程龍]

【摘 要】用模態分析可以確定一個結構的固有頻率和振型，固有頻率和振型是承受動載荷結構設計的重要參數。故以該主軸基座為研究對象，利用三維軟件SolidWorks建立了其三維模型，并使用有限元分析軟件ANSYS對基座進行模態分析。分析得到基座的前十階固有頻率遠大于基座的振動源頻率，主軸基座在工作過程中不會發生共振。

【關鍵詞】基座；ANSYS；模態分析；固有頻率

【Abstract】Modal analysis is used to determine the natural frequency and vibration mode of a structure， which are significant parameters in under dynamic load structure design. With the spindle base as the research object， SolidWorks is used to build a 3D modal and the ANSYS is adopted to make a modal analysis on foundation support. The result of this research shows that the first ten natural frequencies are much greater than the b the vibration source frequency and the Spindle base will not produce resonance when it works.

【Key words】ANSYS； Modal analysis； Natural frequency

0 引言

在進行結構設計時，僅靠單純的靜態設計和經驗設計已不能完全滿足目前工程的要求，必須考慮各種動態因素，并對結構進行詳細的動力分析，以達到抗振、安全、可靠的目的。

用模態分析可以確定一個結構的固有頻率和振型，固有頻率和振型是承受動載荷結構設計的重要參數[1]。

本文運用三維軟件SolidWorks和有限元軟件ANSYS對某超聲機床主軸基座進行模態分析，根據分析的結果提出優化策略。本研究對實現車床床身動態特性優化和指導實際生產都具有重要意義。

1 幾何模型建立

模態分析是建立有限元模型基礎之上，建立有限元模型有兩種方法：（1）對于比較簡單的模型，采用ANSYS有限元軟件自帶功能建立有限元模型；（2）對于結構復雜的模型，一般先采用三維建模軟件建立幾何模型，然后將幾何模型導入到ANSYS有限元軟件中完成有限元模型[2]。

由于主軸基座機構復雜，故本文采用三維建模軟件SolidWorks進行結構件的幾何建模。為了減少計算機工作量、提高工作效率，同時又不失精度，在建模時對模型進行以下簡化：（1）忽略一些尺寸較小且不作為主要承力部件以及不會影響機床整體強度和剛度的部位，如螺紋孔、線路孔等；（2）將部分離應力集中區域較遠的圓弧過渡簡化為直角，而且一些在工藝上需要的倒角、拔模斜度等都不考慮。SolidWorks建立的主軸基座幾何建模如圖1所示。

圖1 主軸基座幾何模型

2 ANSYS模態分析

ANSYS軟件作為一個大型通用有限元分析軟件，能夠用于結構、熱、流體、電磁、聲學等學科的研究，廣泛應用于土木工程、地質礦產、水利、鐵道、汽車交通、國防軍工、航天航空、船舶、機械制造、核工業、化工、輕工、電子、日用家電和生物醫學等一般工業及科學研究工作。由于各專業之間可以互相兼容，因此ANSYS極大地提高了工作人員的工作效率，是現代工程設計人員必不可少的工具之一[3]。

ANSYS的模態分析過程包括三大步驟：建立模型、加載求解和后處理[4-5]。

2.1 建立模型

先將SolidWorks建立的幾何建模以Parasolid格式保存[2]，并將其導入到ANSYS；而后將導入的線框模型進行修復以形成幾何實體模型建立。如要建立有限元模型還必須進行定義材料屬性、實常數和材料單元類型屬性、劃分網格等步驟。

由于基座為實體復雜結構，故選用Solid45為有限元模型網格劃分時單元。而主軸基座所用材料為45#鋼，其彈性模量、泊松比和密度基本參數如表1所示。

表1 主軸基座材料基本參數

網格劃分產生的單元數量直接影響計算量和計算精度，本次采用自由（Free）網格劃分，并使用Global控制單元大小，并對局部細化處理。經網格劃分得到機床主軸基座的有限元模型如圖2所示，共生成了12399節點和55547單元。

圖2 主軸基座有限元模型

2.2 加載及求解

本文采用模態分析中的分塊法（BlockLanczos）進行模態分析求解，在機床實際工作過程中，主軸的轉速一般不超過20000r/min，即主軸的頻率為334Hz以內，故取前10階的模態及固有頻率。

對該機床裝配分析可知，主軸基座通過采用聯接件將底面固定，因此在ANSYS定義載荷時將基座底端面三個方向的自由度（UX，UY，UZ）全部被約束。最后通過CurrentLS方式對基座進行模態分析求解計算。

2.3 查看結果

在ANSYS后處理模塊中查看計算所得基座前十（下轉第27頁）（上接第9頁）階模態的固有頻率，基座的前十階固有頻率如表2所示。

表2 基座前十階固有頻率

從分析的結果可以看出基座的1階固有頻率為860.29Hz，而機床主軸的頻率不超過334Hz，因此基座的固有頻率遠大于基座的振動源主軸的頻率，所以在工作過程中不會發生共振。由于在模態分析前已經進行了結構靜力分析且符合要求，因此基座結構設計達到預期要求。

3 結論

1）本文采用三維設計軟件SolidWorks建立了基座的幾何模型；

2）通過對基座進行模態分析，得出其前10階固有頻率和振型；

3）通過分析可知，基座的固有頻率遠大于基座的振動源主軸的頻率為334Hz，因此在工作過程中不會發生共振，基座結構設計符合要求；

4）與傳統的設計方法相比，用有限元的方法來進行結構件的設計，可大幅度提高設計的合理性和經濟性。

【參考文獻】

[1]張洪信，管殿柱.有限元基礎理論與ANSYS11.0應用[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2]沈璽，方鵬，宋小肯.淺談ANSYS與SolidWorks的數據交換[J].裝備制造技術，2006（5）.

[3]傅志芳，華宏星.模態分析理論與應用[Ml.上海：上海交通大學出版社，2000.

[4]ANSYS工程應用教程機械篇[Ml.北京：中國鐵道出版社，2003.

[5]ANSYS10.0工程分析實例詳解[Ml.北京：人民郵電出版社，2003.

[責任編輯：程龍]

【摘 要】用模態分析可以確定一個結構的固有頻率和振型，固有頻率和振型是承受動載荷結構設計的重要參數。故以該主軸基座為研究對象，利用三維軟件SolidWorks建立了其三維模型，并使用有限元分析軟件ANSYS對基座進行模態分析。分析得到基座的前十階固有頻率遠大于基座的振動源頻率，主軸基座在工作過程中不會發生共振。

【關鍵詞】基座；ANSYS；模態分析；固有頻率

【Abstract】Modal analysis is used to determine the natural frequency and vibration mode of a structure， which are significant parameters in under dynamic load structure design. With the spindle base as the research object， SolidWorks is used to build a 3D modal and the ANSYS is adopted to make a modal analysis on foundation support. The result of this research shows that the first ten natural frequencies are much greater than the b the vibration source frequency and the Spindle base will not produce resonance when it works.

【Key words】ANSYS； Modal analysis； Natural frequency

0 引言

在進行結構設計時，僅靠單純的靜態設計和經驗設計已不能完全滿足目前工程的要求，必須考慮各種動態因素，并對結構進行詳細的動力分析，以達到抗振、安全、可靠的目的。

用模態分析可以確定一個結構的固有頻率和振型，固有頻率和振型是承受動載荷結構設計的重要參數[1]。

本文運用三維軟件SolidWorks和有限元軟件ANSYS對某超聲機床主軸基座進行模態分析，根據分析的結果提出優化策略。本研究對實現車床床身動態特性優化和指導實際生產都具有重要意義。

1 幾何模型建立

模態分析是建立有限元模型基礎之上，建立有限元模型有兩種方法：（1）對于比較簡單的模型，采用ANSYS有限元軟件自帶功能建立有限元模型；（2）對于結構復雜的模型，一般先采用三維建模軟件建立幾何模型，然后將幾何模型導入到ANSYS有限元軟件中完成有限元模型[2]。

由于主軸基座機構復雜，故本文采用三維建模軟件SolidWorks進行結構件的幾何建模。為了減少計算機工作量、提高工作效率，同時又不失精度，在建模時對模型進行以下簡化：（1）忽略一些尺寸較小且不作為主要承力部件以及不會影響機床整體強度和剛度的部位，如螺紋孔、線路孔等；（2）將部分離應力集中區域較遠的圓弧過渡簡化為直角，而且一些在工藝上需要的倒角、拔模斜度等都不考慮。SolidWorks建立的主軸基座幾何建模如圖1所示。

圖1 主軸基座幾何模型

2 ANSYS模態分析

ANSYS軟件作為一個大型通用有限元分析軟件，能夠用于結構、熱、流體、電磁、聲學等學科的研究，廣泛應用于土木工程、地質礦產、水利、鐵道、汽車交通、國防軍工、航天航空、船舶、機械制造、核工業、化工、輕工、電子、日用家電和生物醫學等一般工業及科學研究工作。由于各專業之間可以互相兼容，因此ANSYS極大地提高了工作人員的工作效率，是現代工程設計人員必不可少的工具之一[3]。

ANSYS的模態分析過程包括三大步驟：建立模型、加載求解和后處理[4-5]。

2.1 建立模型

先將SolidWorks建立的幾何建模以Parasolid格式保存[2]，并將其導入到ANSYS；而后將導入的線框模型進行修復以形成幾何實體模型建立。如要建立有限元模型還必須進行定義材料屬性、實常數和材料單元類型屬性、劃分網格等步驟。

由于基座為實體復雜結構，故選用Solid45為有限元模型網格劃分時單元。而主軸基座所用材料為45#鋼，其彈性模量、泊松比和密度基本參數如表1所示。

表1 主軸基座材料基本參數

網格劃分產生的單元數量直接影響計算量和計算精度，本次采用自由（Free）網格劃分，并使用Global控制單元大小，并對局部細化處理。經網格劃分得到機床主軸基座的有限元模型如圖2所示，共生成了12399節點和55547單元。

圖2 主軸基座有限元模型

2.2 加載及求解

本文采用模態分析中的分塊法（BlockLanczos）進行模態分析求解，在機床實際工作過程中，主軸的轉速一般不超過20000r/min，即主軸的頻率為334Hz以內，故取前10階的模態及固有頻率。

對該機床裝配分析可知，主軸基座通過采用聯接件將底面固定，因此在ANSYS定義載荷時將基座底端面三個方向的自由度（UX，UY，UZ）全部被約束。最后通過CurrentLS方式對基座進行模態分析求解計算。

2.3 查看結果

在ANSYS后處理模塊中查看計算所得基座前十（下轉第27頁）（上接第9頁）階模態的固有頻率，基座的前十階固有頻率如表2所示。

表2 基座前十階固有頻率

從分析的結果可以看出基座的1階固有頻率為860.29Hz，而機床主軸的頻率不超過334Hz，因此基座的固有頻率遠大于基座的振動源主軸的頻率，所以在工作過程中不會發生共振。由于在模態分析前已經進行了結構靜力分析且符合要求，因此基座結構設計達到預期要求。

3 結論

1）本文采用三維設計軟件SolidWorks建立了基座的幾何模型；

2）通過對基座進行模態分析，得出其前10階固有頻率和振型；

3）通過分析可知，基座的固有頻率遠大于基座的振動源主軸的頻率為334Hz，因此在工作過程中不會發生共振，基座結構設計符合要求；

4）與傳統的設計方法相比，用有限元的方法來進行結構件的設計，可大幅度提高設計的合理性和經濟性。

【參考文獻】

[1]張洪信，管殿柱.有限元基礎理論與ANSYS11.0應用[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2]沈璽，方鵬，宋小肯.淺談ANSYS與SolidWorks的數據交換[J].裝備制造技術，2006（5）.

[3]傅志芳，華宏星.模態分析理論與應用[Ml.上海：上海交通大學出版社，2000.

[4]ANSYS工程應用教程機械篇[Ml.北京：中國鐵道出版社，2003.

[5]ANSYS10.0工程分析實例詳解[Ml.北京：人民郵電出版社，2003.

[責任編輯：程龍]