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電主軸支座是高速磨削機的關(guān)鍵部位，承受著磨削過程中復(fù)雜載荷的作用，它的靜、動態(tài)特性直接影響磨削機的磨削精度及其穩(wěn)定性。為了減少設(shè)計周期，改變以往經(jīng)驗設(shè)計的盲目性，定量分析主軸支架結(jié)構(gòu)強度，增加結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。本文采用Solidworks初步設(shè)計主軸支架的三維模型結(jié)構(gòu)，通過有限元分析軟件ANSYS Workbench來對支架結(jié)構(gòu)進行靜、動態(tài)分析及結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化。
可靠、準確的結(jié)構(gòu)模型是應(yīng)用有限元ANSYS Workbench的前提條件之一。在建立模型前，必須根據(jù)安裝位置，功能要求等綜合考慮各部位的結(jié)構(gòu)。本文研究過程中采用專業(yè)的三維繪圖軟件Solidworks中建立主軸支架，對于一些細小特征如倒角、凸臺、螺釘孔等，因為對結(jié)構(gòu)整體的性能影響很小，根據(jù)圣維南原理，對這些細小結(jié)構(gòu)進行了適當?shù)暮喕：喕蟮哪Ｐ筒粫䦟Ψ治鼋Y(jié)果產(chǎn)生明顯的影響并且大大的提高了有限元分析效率。圖1為主軸支架簡化后的模型圖。通過Solidworks設(shè)置材料為Q235A，得出鑄件質(zhì)量為200.584kg。
本文選用ANSYS Workbench作為有限元分析軟件，運用AWE(ANSYS Workbench Environment)中有限元分析模塊和優(yōu)化設(shè)計模塊。對主軸支架進行模型導(dǎo)入、網(wǎng)格劃分、靜力學(xué)分析、模態(tài)分析及拓撲優(yōu)化。
ANSYS Workbench可以和Solidworks軟件完成無縫連接，能夠?qū)崿F(xiàn)模型傳遞過程中無元素丟失。首先定義材料屬性，電主軸支架的材料為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235A，給材料輸入相應(yīng)的參數(shù)：彈性模量為2.12×1011Pa，泊松比為0.288，密度為7860kg/cm3。然后對電主軸支架進行網(wǎng)格劃分，為了取得更準確的結(jié)果，對支架中主軸套筒和安裝部位網(wǎng)格尺寸選10mm，其余部位選20mm，對整個支架采用自動網(wǎng)格劃分，軟件對電主軸安裝套和安裝固定部位采用四面體網(wǎng)格，其他部位采用六面體網(wǎng)格，共包含175498個節(jié)點，107062個元素。劃分后的網(wǎng)格見圖。
電主軸支架在工作過程中主要受到自身重力、電主軸和小磨頭的重力、磨削時砂輪產(chǎn)生的磨削力和相應(yīng)的扭力。根據(jù)磨削切向力估算公式，本設(shè)備采用的主軸電機的功率P=20kW，最高轉(zhuǎn)速為n=6000r/min，砂輪直徑為D=400mm，設(shè)備磨削時砂輪的最低線速度為v=40m/s，所受最大切向磨削力Ft=ηP/v=0.9×20000/40=450（N），則相應(yīng)的最大法向磨削力為Fn=1800N，最大扭矩T=450×172=77400（N/mm），主軸對套筒的最大壓力為G1=2000N，小磨頭及其安裝架對支架壓力為G=2000N。圖3為受力圖。A-固定約束；B-小磨頭壓力重力；C-電主軸重力；D-磨削力；E-扭矩。圖3主軸支架載荷和約束圖接著對主軸支架的總變形以及應(yīng)力進行求解。
接著對主軸支架的總變形以及應(yīng)力進行求解。求解結(jié)果顯示最大應(yīng)力為15.035MPa，出現(xiàn)在固定位置與支架的連接處，主軸支架的材料為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235A，屈服強度為235MPa，查表取安全系數(shù)為2.0，則許用應(yīng)力為117.5MPa，遠大于結(jié)果中的最大等效應(yīng)力，因此主軸支架結(jié)構(gòu)可以滿足強度要求。
圖為總變形云圖及各方向的變形云圖。從變形a圖可以清楚的看出結(jié)構(gòu)最大變形出現(xiàn)在小磨頭安裝端，最大值為0.04446mm。從b、c、d圖可以得出X、Y、Z各方向的最大變形量分別為0.03479mm、0.02128mm、0.02301mm。a.總變形云圖b.X方向變形c．Y方向變形d.Z方向變形圖4變形云圖2.3主軸支架的模態(tài)分析主軸砂輪在工作過程中存在振動不穩(wěn)定性，為了減小磨削過程中砂輪的振動，對電主軸支架進行模態(tài)分析具有重要意義，模態(tài)分析可以確定主軸支架的固有頻率和振型，可以避免共振的發(fā)生。
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