基于ANSYS的絲桿應力和變形分析

王景　史亞貝

摘 要： 采用Proe軟件對絲桿進行建模并導入ANSYS軟件進行有限元分析，研究在變載荷作用下絲桿的應力變形情況。結果表明：絲桿在變載荷作用下的最大應力變形位置為其左軸頸端面處，該分析結果對絲桿的結構改型設計提供了依據，并為絲桿的動態分析和疲勞壽命分析提供了借鑒。

關鍵詞： 絲桿； ANSYS； 應力變形

中圖分類號： TH 132 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2016）04-0105-04

0 引 言

滾珠絲杠副是數控機床中常用的功能部件，它可以將回轉運動轉化直線運動，也可以將直線運動轉化為回轉運動[1]。它具有傳動效率高、定位精度高、同步性能好、可靠性高、使用壽命長等特點，被廣泛的應用于數控機床、電子設備、自動化設備、激光設備和醫療器械等領域。隨著數控機床向著高精度、高速度和高剛度方向的不斷發展，對機床的進給系統要求也越來越高，而絲桿作為滾珠絲杠副中的關鍵零部件，必須具有良好的結構性能，傳統的分析方法無法完成精確的分析和計算。本文以某型號絲桿為研究對象，對其進行有限元分析，研究其應力和變形特性，該分析對絲桿的結構設計和疲勞壽命分析具有較大的意義。

1 絲桿的應力和變形分析

1.1分析步驟

ANSYS軟件分析過程主要包含了三個步驟：前處理、加載求解計算和后處理[2]，其典型的分析流程如圖1所示。

1.2 絲桿建模與網格劃分

（1） 絲桿建模。在實際工作中，為了滿足絲桿加工和裝配等方面的需求，往往會設置一些倒角、退刀槽以及過渡圓角等，這些細節在承載的過程中對絲桿的影響比較?。欢@些細節在劃分有限元單元模型時會使網格細化，增加網格劃分工作量，浪費大量的計算機資源，并使分析的速度變慢，大大降低了分析效率，因此在有限元分析時，會把這些細節簡化?；诖?，運用Proe軟件建立了如圖2所示的絲桿三維模型，將Proe軟件中的模型導入到ANSYS軟件中進行網格劃分[3]。

（2） 絲桿材料參數的選擇。本文研究的絲桿是采用GGr15材料加工而成的，整體的淬火硬度為60HRC，該材料相關參數如表1所示。

（3） 絲桿網格劃分。根據有限元的理論可知，實體模型是無法直接用有限元計算的，因此要對其進行網格劃分以生成有限元模型。為增加求解的精度，本文經過多次的網格劃分實驗，最后使用三自由度20節點solid95單元，精度為3的自由劃分方式對絲桿整體劃分，劃分后的有限元模型如圖3所示[4]。

1.3 邊界條件與載荷

本文所選絲桿的轉速為1200 rad/min，且設備要求重復定位精度為0.05 mm，所以采用兩端固定的支撐方式（雙推—雙推支撐方式）。具體約束施加方式如下：在左、右軸頸處分別創建兩組節點組，再把兩組節點組的坐標系轉換成柱坐標系，在柱坐標系的狀態下對左軸頸處得節點組進行X方向（即徑向）的約束，對右軸頸進行X和Y方向（即徑向和周向）的約束[5-6]。在與電機軸相連的端面和右軸頸的端面也各創建一個節點組對其進行Z方向的約束（軸向約束），此種約束方式基本上與實際工況的約束相符合。

對于用鍵傳遞的輸入轉矩的模擬，通過查閱相關文獻，將左軸頸所包含的面上的所有節點創建為一個節點組，此節點組共包括1656個節點，把這些節點在柱坐標系下施加Y方向（周向）的集中力來模擬輸入轉矩，由于絲桿受到的輸入轉矩不會超過電機的輸入轉矩，所以以電機的輸入轉矩作為載荷施加在該組節點。本文選用型號為57HS22的東方伺服57系列兩相步進電機，該電機的相關參數如表2所示。

1.4 絲桿的應力與位移求解

由于絲桿在運動時所受到的軸向力與扭矩的位置是隨螺母的位置變化而變化的，并且是連續性的。本文在求解時把絲桿的有效行程160 mm分成10個等份，每隔16 mm進行一次計算分析。由于絲桿是周期性的正反轉運動，因此，絲桿所受到的軸向力與扭矩也是周期性的變化。圖4為螺母在絲桿最左端位置時的應力與變形情況。

由圖4可以看出，絲桿所受到的最大應力與最大變形的位置為左軸頸的端面處，且其外表面所受到應力的數值基本上是相等的，與理論分析基本上相符合，沒有個別的節點出現應力過度集中的現象，說明本文中對輸入轉矩模擬的方法是可行的。此次是對螺母在絲桿最左端的位置進行的分析，由于絲桿在整個工作過程中，螺母是在絲桿的行程中做往復的運動，絲桿所受到的力也隨螺母位置的不同而往復的變化。因此需要對螺母在絲桿的各個位置處分別進行分析計算，其具體分析結果如表3所示。

由表3可以看出，在螺母行程范圍內從左至右絲桿所受到的最大應力基本上是呈線性規律下降，而最大變形則是逐漸遞增，所受到的應力最大值的位置始終為左軸頸的端面處，與力學中所分析絲桿的危險截面位置相符合；絲桿在整個行程的Z向變形是先逐漸增大，再逐漸減小，當螺母向右運行到離最左端64 mm 左右處達到最大值為1.273 μm。該變化規律可為絲桿的結構設計和改進提供理論依據。

2 結束語

通過運用Proe軟件對絲桿建模，大大減少了建模的工作量，通過簡化建模提高了絲桿網格劃分質量，同時縮短了計算時間。通過運用ANSYS軟件進行有限元分析，得出絲桿在變載荷作用下所受到的最大應力與最大變形位置為左軸頸的端面處，該分析結果為絲桿的結構設計和改進提供參考和依據，也為絲桿的動態分析和疲勞壽命分析奠定了基礎。

參考文獻：

[1] 寧懷明，王彥紅. THK滾珠絲杠基于ANSYS的動態分析[J]. 煤炭技術，2010（7）：18-19.

[2] 秦宇. ANSYS11.0基礎與實例教程[M]. 北京：化學工業出版社，2009：19.

[3] 侯秉鐸，許瑛，彭浪草，等. 超精密滾珠絲杠進給系統諧響應的有限元分析[J]. 2011，6：20-22.

[4] 由美雁，謝里陽. ANSYS的網格劃分在工程實例上的應用[J]. 機械，2007，09，37-39.

[5] 李方方，賈平寧，懷明. 基于ANSYS的某型號絲桿的模態分析[J]. 機械設計與制造，2010，11：61-62.

[6] 趙萬軍. 基于ANSYS的滾珠絲杠進給系統靜動態特性分析[J]. 機械傳動，2010，34（5）：68-70.

Abstract： UsingProe modeling was carried out on the wire rod and import the ANSYS finite element analysis，researching the deformation and stress of the screwunder the variable load.The results show that：the left shaft end surface of the screw is one of the biggest deformation and stress position under variable load，The analysis results of screw provides a theoretical basis to the structure retrofit design，andlaiding a foundation for the dynamic analysis and fatigue life analysis of the screw.

Keywords： screw； ANSYS； stressdeformation

（責任編輯：徐興華）