刀盘主轴三维建模及有限元仿真
摘 要在工作机和原动机以及执行机构之间使用减速器在现代化机械生产中发挥速度和扭矩传输的作用是非常广泛的。通常使用的齿轮单元可被分为两大类：通用和专用减速器减速机。本课题针对减速器的刀盘主轴在施加扭矩后受到的应力以及变形问题，通过建立三维实体模型，将利用HyperMesh以及abaqus软件，采用有限元分析法，对创建的三维模型进行仿真与分析，最后对分析结果进行准确性的讨论。在现代数学之中，使用有限元数值方法求解是为了获得偏微分方程的近似解边值问题的结果。通过制作子区域来解决问题，每个子区域将成为一个简单的部分，最简单的部分被称为有限元。它是在变分方法的帮助下，将误差函数达到一个最小值并由此产生出一个稳定的解。和连接多条短的直线逼近圆的思维对比，显示出了有限元法包罗了全部可能的方式，所有这些都可以将被称为小区域的有限元的简易公式连接起来，并可用它来预计一个较大的区域的更为繁杂的方程式。这种方式将要计算的区域看作是大量的被称为有限元的互连的小型子区域构成的，而且还为每一个单元都假设一个比较容易的相似的解，最后通过进行推算求出这个区域所有的满足前提条件的结果，进而得到要研究的区域的结果。这个结果并不是最准确的结果，而只是一个近似的解。有限元方法以其不仅计算的精度高而且还能应对各种更复杂的形状的优点，成为分析工程问题的一个重要手段。三维建模，不但显示出了要刻画的实体的所有几何图形方面的信息，并且全部的点、线、面等方面的拓扑信息都被定义了出来。三维建模的作用不仅表现在可以对实体模型的所有信息进行全面完整的描述，而且还能够实现对消隐，剖切，有限元等方面的分析。数控加工方面，表现在将实体进行着色，光照以及纹处理方面，对外形的计算等等一系列的处理与操作等。
目 录
第一章 绪论 1
1.1论文研究背景及意义 1
1.2国内外研究概况 2
1.3本课题的主要研究内容 3
1.4有限元仿真的发展与趋势 3
第二章 三维建模 5
2.1三维实体建模 5
2.2三维实体建模的思路 5
2.3三维实体建模过程 5
第三章 有限元仿真 16
3.1有限元分析 16
3.2有限元的模型分析 16
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
3.3有限元理论分析 23
结论 24
致谢 25
参考文献 26
第一章 绪论
1.1论文研究背景及意义
伴随着不断前进发展的计算机应用技术，三维建模与有限元分析的功能也得到了长足的发展，这两者在应用方面的领域也越来越广泛了，本次毕业设计将利用三维建模以及有限元仿真对减速器的刀盘主轴进行结构上的分析并结合实际对分析结果进行讨论。
人工设计本身就是一种创新的方式，而创新就无法避免用创新思维和一些现代设计方法，如产品设计过程本身实际上是渲染设计思维的过程。所以，对于设计师来说一种优秀的的设计方法比什么都重要，从发展来看，过去比较传统的设计方法早已经不适合现在时代的快节奏的工程设计了，CAD/ CAM/ CAE应用开发技术创造了现代设计方法，同时也为现代设计方法的跨越式发展提供了契机。
要想有自主化的创新，必须有切实可行的方法，所以创新方法是自主化创新的重中之重，恰恰有限元仿真技术的应用发展正是这种重要的创新方法。
其主要表现在：增加产品和工程的可靠性；找出产品设计阶段存在的潜在问题；分析计算，使用一个优化过后的设计，以减少原料方面的成本；缩短优化产品开发时间；用仿真软件程序的测试，以减少这种试验的数量，从而减少测试的成本，节省研发资金等。
与过去的设计方法对比，通过使用仿真技术，可以将经验设计改为科学设计、将实测手段变为仿真手段、将规范标准变为分析标准、将传统的分析技术变为现代的计算机仿真分析技术。通过这些来提高产品的质量、缩短产品的研发周期、降低产品的成本、增加产品的可靠性，也就是增强创新产品的新能力、应变能力以及竞争力。
可是，从国内外的发展情况来看，系统的仿真技术必将渐渐代替单体的仿真与模拟。同时，这也符合企业的发展进程。手工操作向信息化操作发展，离散系统向集成化系统方向发展，少量协作向大范围协同协作方向发展，个体研发向并行工程与集成产品研发方向发展等。能够让企业平衡地做到效率领先和技术领先是有限元仿真技术被应用的最终目的。
一般来说，主轴通常都是在传送带以及齿轮的帮助下来进行驱动的，因此，它的转动速度只和传动比还有驱动杆有关。但是，在简易电气和液压控制器逐渐发展成熟的今天，我们已经可以通过无级变速转换器来改变主轴的转速。而通过有限元来分析了解主轴的受力情况，可以提高其有效寿命，降低其周期性成本，有助于了解并解决它在服务周期内形成的维修故障以此来降低运行方面的成本。
通过本毕业设计，让我们初步掌握了有限元的一些基本理论，熟悉并能够简单运用Hypermesh，Abaqus等有限元软件进行分析，能够用所学理论解决实际的工程问题。将理论与实际相结合，培养了我们独立进行思考的能力，能够给我们今后的学习和生活带来巨大的影响。
1.2国内外研究概况
有限元，从第一次出现到广泛的在工程中得到应用已有超过30年的发展历史。但是经过三十多年的发展，在理论和算法方面已经有了巨大的改进。
随着计算机近几年的运行速度的不断提高，有限元分析技术更广泛地应用于工程设计和分析中。例如，有限元分析技术在航空航天，汽车，冶金，国防，造船，石化，能源，土建施工，科研等各个领域占据着越来越重要的地位，起着越来越重要的作用，其主要表现在 ：
增加产品和工程的可靠性；
（2）找出产品设计阶段存在的潜在问题；
（3）分析计算，使用一个优化设计，以减少原料方面的成本；
（4）缩短优化产品开发时间；
（5）用仿真软件程序的测试，以这种减少试验的数量，从而减少测试区域的成本，节省研发资金等。
在有限元分析程序的发展中，国际上大量的人力和物力的投资到了上世纪60年代初才开始，但在70年代初则是真正的CAE软件的诞生，CAE软件开发的商业化阶段则是在过去的15年中。为了满足市场需求，适应计算机硬件，软件技术的飞速发展，CAE软件开发商卖力地推销自己的产品，同时也大大提高，扩大软件的功能、性能、用户界面和前、后处理能力。由此，当前市面上一些有名的CAE软件基本在功能、性能、易用上、可靠性和适应性上满足客户需求，然后解决用户数万的实际工程问题，同时为工程的发展和应用以及科学技术的前进做出了不可磨灭的贡献。
当前市场上比较出名的CAE软件有：MAGSOFT、ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、MARC、COSMOS、ADINA等等。MSCNASTRAN软件因为和NASA的特殊关系所以在航天航空领域占据了一个很高的位置，它是基于最早的航天非线性有限元分析系统，与PDA的PATRAN兼容，还组织了在DYNA3D的基础上发展DYTRAN。近年来，它与基于非线性分析的软件MARC合并，从而成为世界上最大的有限元分析系统。因为专注于结构，流体，热，电磁场四种耦合场计算，ANSYS软件赢得了用户的信赖和喜爱。
由著名的有限元专家，麻省理工学院教授K.J.Bathe领导的ADINA非线性有限元分析软件的开发，这是一个单独的系统可以对结构，流体，热耦合计算，有2种时间积分算法分别是隐式和显式。并因为在解决非线性，流固耦合分析方面以其强大的功能，从而迅速占据了有限元分析软件市场的一席之地，并逐渐成为人们的首选，成为现在的非线性分析计算软件。
一开始的电主轴是被应用在磨床上的，直到后来才被应用到了加工中心之中。在精密机械不断的高要求下，电主轴的功率和品质不断得到提高。我国于20世纪60年代开始研究电主轴，主要用于磨削零件内部；在70到80年代研制了高刚度以及高速电主轴，应用于各种内圆磨床以及机械化制造领域中；80年代末以后开始向铣用领域发展。而国外的在研究电主轴领域这一快较早，发展相对于国内也比较快，处在领先位置。近期以及未来，国外将把发展重点放在研究大功率，大扭矩，定位更准确，能自动对刀等数字化方面更高标准的电主轴单元。
目 录
第一章 绪论 1
1.1论文研究背景及意义 1
1.2国内外研究概况 2
1.3本课题的主要研究内容 3
1.4有限元仿真的发展与趋势 3
第二章 三维建模 5
2.1三维实体建模 5
2.2三维实体建模的思路 5
2.3三维实体建模过程 5
第三章 有限元仿真 16
3.1有限元分析 16
3.2有限元的模型分析 16
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
3.3有限元理论分析 23
结论 24
致谢 25
参考文献 26
第一章 绪论
1.1论文研究背景及意义
伴随着不断前进发展的计算机应用技术，三维建模与有限元分析的功能也得到了长足的发展，这两者在应用方面的领域也越来越广泛了，本次毕业设计将利用三维建模以及有限元仿真对减速器的刀盘主轴进行结构上的分析并结合实际对分析结果进行讨论。
人工设计本身就是一种创新的方式，而创新就无法避免用创新思维和一些现代设计方法，如产品设计过程本身实际上是渲染设计思维的过程。所以，对于设计师来说一种优秀的的设计方法比什么都重要，从发展来看，过去比较传统的设计方法早已经不适合现在时代的快节奏的工程设计了，CAD/ CAM/ CAE应用开发技术创造了现代设计方法，同时也为现代设计方法的跨越式发展提供了契机。
要想有自主化的创新，必须有切实可行的方法，所以创新方法是自主化创新的重中之重，恰恰有限元仿真技术的应用发展正是这种重要的创新方法。
其主要表现在：增加产品和工程的可靠性；找出产品设计阶段存在的潜在问题；分析计算，使用一个优化过后的设计，以减少原料方面的成本；缩短优化产品开发时间；用仿真软件程序的测试，以减少这种试验的数量，从而减少测试的成本，节省研发资金等。
与过去的设计方法对比，通过使用仿真技术，可以将经验设计改为科学设计、将实测手段变为仿真手段、将规范标准变为分析标准、将传统的分析技术变为现代的计算机仿真分析技术。通过这些来提高产品的质量、缩短产品的研发周期、降低产品的成本、增加产品的可靠性，也就是增强创新产品的新能力、应变能力以及竞争力。
可是，从国内外的发展情况来看，系统的仿真技术必将渐渐代替单体的仿真与模拟。同时，这也符合企业的发展进程。手工操作向信息化操作发展，离散系统向集成化系统方向发展，少量协作向大范围协同协作方向发展，个体研发向并行工程与集成产品研发方向发展等。能够让企业平衡地做到效率领先和技术领先是有限元仿真技术被应用的最终目的。
一般来说，主轴通常都是在传送带以及齿轮的帮助下来进行驱动的，因此，它的转动速度只和传动比还有驱动杆有关。但是，在简易电气和液压控制器逐渐发展成熟的今天，我们已经可以通过无级变速转换器来改变主轴的转速。而通过有限元来分析了解主轴的受力情况，可以提高其有效寿命，降低其周期性成本，有助于了解并解决它在服务周期内形成的维修故障以此来降低运行方面的成本。
通过本毕业设计，让我们初步掌握了有限元的一些基本理论，熟悉并能够简单运用Hypermesh，Abaqus等有限元软件进行分析，能够用所学理论解决实际的工程问题。将理论与实际相结合，培养了我们独立进行思考的能力，能够给我们今后的学习和生活带来巨大的影响。
1.2国内外研究概况
有限元，从第一次出现到广泛的在工程中得到应用已有超过30年的发展历史。但是经过三十多年的发展，在理论和算法方面已经有了巨大的改进。
随着计算机近几年的运行速度的不断提高，有限元分析技术更广泛地应用于工程设计和分析中。例如，有限元分析技术在航空航天，汽车，冶金，国防，造船，石化，能源，土建施工，科研等各个领域占据着越来越重要的地位，起着越来越重要的作用，其主要表现在 ：
增加产品和工程的可靠性；
（2）找出产品设计阶段存在的潜在问题；
（3）分析计算，使用一个优化设计，以减少原料方面的成本；
（4）缩短优化产品开发时间；
（5）用仿真软件程序的测试，以这种减少试验的数量，从而减少测试区域的成本，节省研发资金等。
在有限元分析程序的发展中，国际上大量的人力和物力的投资到了上世纪60年代初才开始，但在70年代初则是真正的CAE软件的诞生，CAE软件开发的商业化阶段则是在过去的15年中。为了满足市场需求，适应计算机硬件，软件技术的飞速发展，CAE软件开发商卖力地推销自己的产品，同时也大大提高，扩大软件的功能、性能、用户界面和前、后处理能力。由此，当前市面上一些有名的CAE软件基本在功能、性能、易用上、可靠性和适应性上满足客户需求，然后解决用户数万的实际工程问题，同时为工程的发展和应用以及科学技术的前进做出了不可磨灭的贡献。
当前市场上比较出名的CAE软件有：MAGSOFT、ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、MARC、COSMOS、ADINA等等。MSCNASTRAN软件因为和NASA的特殊关系所以在航天航空领域占据了一个很高的位置，它是基于最早的航天非线性有限元分析系统，与PDA的PATRAN兼容，还组织了在DYNA3D的基础上发展DYTRAN。近年来，它与基于非线性分析的软件MARC合并，从而成为世界上最大的有限元分析系统。因为专注于结构，流体，热，电磁场四种耦合场计算，ANSYS软件赢得了用户的信赖和喜爱。
由著名的有限元专家，麻省理工学院教授K.J.Bathe领导的ADINA非线性有限元分析软件的开发，这是一个单独的系统可以对结构，流体，热耦合计算，有2种时间积分算法分别是隐式和显式。并因为在解决非线性，流固耦合分析方面以其强大的功能，从而迅速占据了有限元分析软件市场的一席之地，并逐渐成为人们的首选，成为现在的非线性分析计算软件。
一开始的电主轴是被应用在磨床上的，直到后来才被应用到了加工中心之中。在精密机械不断的高要求下，电主轴的功率和品质不断得到提高。我国于20世纪60年代开始研究电主轴，主要用于磨削零件内部；在70到80年代研制了高刚度以及高速电主轴，应用于各种内圆磨床以及机械化制造领域中；80年代末以后开始向铣用领域发展。而国外的在研究电主轴领域这一快较早，发展相对于国内也比较快，处在领先位置。近期以及未来，国外将把发展重点放在研究大功率，大扭矩，定位更准确，能自动对刀等数字化方面更高标准的电主轴单元。
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