滚珠丝杆轴承支座结构静力学分析及优化设计(附件)【字数：10778】
摘 要滚珠丝杆轴承支座是连接丝杆和电机的轴承轴承座，不仅为轴提供支撑，承受轴传递的各种载荷,还具有定位作用，保证传递的平行性，稳定性。对滚珠丝杆轴承支座进行有限元分析，借助于有限元分析了解轴承支座的应力和位移分布的情况，判断轴承支座设计结构的合理性。借助Hypermesh11.0软件，为轴承支座三维模型进行合理的网格划分，设置边界条件。同时对轴承支座采用加强筋方法，还采用了Z字型结构进行合理的优化，并将优化前后的滚珠丝杆轴承支座的应力、形变进行比较。结果表明，通过改变增加倒角，减少材料，改变了其结构形状，采用Z字型结构使得滚珠丝杆轴承支座的最大形变降低了38%，最大应力降低了30%，达到了对零件优化设计的目的。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 课题的背景、意义 1
1.2 现代设计方法 1
1.3 有限元技术在国内外的发展与应用 2
1.3.1 国外有限元技术的发展与应用 2
1.3.2 国内有限元技术的发展与应用 3
1.3.3 有限元的应用 4
1.4 课题研究的主要内容 4
第二章 有限元分析的基本原理 6
2.1 有限元的概念 6
2.2 有限元的计算步骤 6
第三章 UG建模过程 9
3.1 UG的简单介绍 9
3.2 零件图分析 9
3.3 零件的建模 10
第四章 有限元HyperMesh分析建立 15
4.1 有限元HyperMesh的概述 15
4.2 轴承支座的有限元建模 15
4.2.1 网格的划分 15
4.2.2 参数设置 16
4.2.3 边界条件及提交计算 18
第五章 计算结果分析与优化 21
5.1 原零件的应力与变形分析 21
5.2 优化设计与验证 22
第六章 总 结 27
致 谢 28
参考文献 29
第一章 绪 论
1.1 课题的背景、意义
滚珠丝杆因传动效率高，动静摩擦系 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
数小被广泛的应用于数控机床，滚珠丝杆由轴承座支撑，丝杆的预紧力和运动过程中的载荷都由轴承座支撑，轴承座在载荷的作用下产生形变。随着计算机技术和计算力学、计算数学等理论的发展,计算机辅助工程分析越来越受到工程设计人员的重视。其中有限元技术又是CAE的关键技术。把有限元技术应用到产品的开发研究上是非常有效的方法，有先进的手法对产品结构进行合理的指导，让其刚度、强度得到满足的情况下，并让其质量、体积得到最大的优化。这是一种可行的方法也是一种必然的方法。这对提高产品质量、降低成本、收缩产品设计周期都拥有十分重要的意义。
滚珠丝杆轴承座不但为轴给以支持，还得经受轴传来的各类载荷。可行的轴承座不仅能够减轻轴的偏心振动，还可以保证机械设备的正常运作，都是具有关键作用。但由于轴承座的形状复杂，传统的解析法在计算轴承座的承载性能时存在较大误差[1]。在这里，通过有限元分析法解决此类问题，将复杂的问题简单化之后进行求解。现在，客户对于产品的各方面的要求变得越来越严格。从产品的性能要求，使用寿命等各方面，这关系到一个公司的信誉，而公司是最终是盈利，所以又必须节约材料成本，所以在满足使用性能要求等方面情况下，尽可能节约成本。现在很多现实问题比较难以解决，而有限元的出现是问题缓解，它不仅计算精度高，还可以针对各类复杂造型，使它成为有效的工程分析方法。在众多领域中，有限元成为重要的研究手段。在这里有限元仿真能够对其进行静力学分析及优化，了解有限在生活中的应用之广泛，成为工程上必不可缺的方法。
1.2 现代设计方法
现代的设计手段多种多样。例如，具有可靠性的设计、借以计算机作为辅拟的方法、进行虚拟设计、有限元法、人机工程、反求工程、还有人工神经元计算方法等多种手段。但是，都是依靠计算机来分析，结合这些手段进行设计的。
计算机辅助设计
计算机辅助设计即CAD。主要通过计算机技术将其设计过程引入，以此完成相应的计算、画图，以及其他任务的一种现代设计手段。
优化设计
优化设计（Optimal Design）主要应用在工程设计问题上，是一种通过找寻最好的优化设计方法在全部可行的方法中。
可靠性设计
可靠性设计（Reliability Design）主要是保证产品的可靠性为目标的现代设计手段，以失效分析、失效预测和各类可靠性试验作为为依据，并将概率论和数理统计为理论基础。
有限元法
现如今，不仅工程中繁琐而庞大的非稳定且非线性问题可以用有限元法得到解决，还可以解决复杂结构的静态和动力学分析。能过准确计算出零件的应力和位移分布情况，成为对零件强度、刚度计算的有效分析工具。
5、反求工程设计
反求工程设计（Reverse Engineering）是消化吸收并改良国内外先进技术的一系列工作方法与技术的总和。
该论文课题的研究主要运用的是有限元法，有限元分析法是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它是一种有效的数值分析手段，首先出现在50年代的连续体力学领域，关于飞机结构静态和动态特性分析中。之后很迅速在求解热传导、流体力学等中被应用。这几年来，有限元分析主要在计算机技术、数值分析手段下发展起来的。有限元分析法为解决工程中的疑难计算问题，给与了有效途径。在实践中，有限元分析与CAD的集成使得设计水准大大提高，有了质的飞跃，主要表现在增加了设计功能，从而减少了设计的成本；大大缩减了设计和分析产生的周期；提高了产品的可靠性；通过优化设计降低了材料的成本；可以在制造前发现隐形问题；模拟各种方案，减少了时间和经费。
1.3 有限元技术在国内外的发展与应用
1.3.1 国外有限元技术的发展与应用
有限元法在1943年R.Courant首先提出的，自从被提出后，有限元理论及应用很快获得了发展，在以前不易解决的各种相关问题，都可得到新的解决方法。但实际问题往往是分析有限，为解决这类问题，美国学者heofanis Strouboulis & LinZhang提出用GFEM解决分析域内含有大量孔洞特征的问题，比利时学者Nguyen Dang Hung和越南的Tran Thanh Ngoc提出用HSM解决实际开裂问题，印度博士用ANSYS对拖拉机前桥进行优化设计[2]。在20世纪50年代末、60年代初，因投入大量的人力和物力，拥有强大功能的有限元分析程序被研发出来。其中最为著名的是，在1965年，美国国家宇航局(NASA)委托美国计算科学公司与贝尔航空系统公司一起开发的NASTRAN有限元分析系统。该系统至今已发展有几十个版本,是当今世界上规模最大，功能最强的有限元分析系统。自那以后,世界各地的研究机构和大学也开发了一批规模较小但是使用比较灵活，而价格较低的专用或通用有限元分析软件,主要有德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS等公司的产品。国外的有限元法后期阶段的发展表现：第一，建立严格了数学和工程学基础；第二，应用范围扩展到了结构力学以外的区域；第三，收敛性也获得了进一步研究，形成了系统的误差估计理论；第四，发展起了相应的商业软件包[3]。有限元方法被很好的利用，列如：有限元应力分析方法在内燃机制造业中正在得到越来越广泛的应用，用以确定承受热负荷或机械负荷的零部件中的弹性应力和新近提出的塑形应力[4]。法国的索尔飞机制造公司利用有限元技术取得了关键性突破。如图1.1所示飞机强度研究中经常用到有限元校核。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 课题的背景、意义 1
1.2 现代设计方法 1
1.3 有限元技术在国内外的发展与应用 2
1.3.1 国外有限元技术的发展与应用 2
1.3.2 国内有限元技术的发展与应用 3
1.3.3 有限元的应用 4
1.4 课题研究的主要内容 4
第二章 有限元分析的基本原理 6
2.1 有限元的概念 6
2.2 有限元的计算步骤 6
第三章 UG建模过程 9
3.1 UG的简单介绍 9
3.2 零件图分析 9
3.3 零件的建模 10
第四章 有限元HyperMesh分析建立 15
4.1 有限元HyperMesh的概述 15
4.2 轴承支座的有限元建模 15
4.2.1 网格的划分 15
4.2.2 参数设置 16
4.2.3 边界条件及提交计算 18
第五章 计算结果分析与优化 21
5.1 原零件的应力与变形分析 21
5.2 优化设计与验证 22
第六章 总 结 27
致 谢 28
参考文献 29
第一章 绪 论
1.1 课题的背景、意义
滚珠丝杆因传动效率高，动静摩擦系 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
数小被广泛的应用于数控机床，滚珠丝杆由轴承座支撑，丝杆的预紧力和运动过程中的载荷都由轴承座支撑，轴承座在载荷的作用下产生形变。随着计算机技术和计算力学、计算数学等理论的发展,计算机辅助工程分析越来越受到工程设计人员的重视。其中有限元技术又是CAE的关键技术。把有限元技术应用到产品的开发研究上是非常有效的方法，有先进的手法对产品结构进行合理的指导，让其刚度、强度得到满足的情况下，并让其质量、体积得到最大的优化。这是一种可行的方法也是一种必然的方法。这对提高产品质量、降低成本、收缩产品设计周期都拥有十分重要的意义。
滚珠丝杆轴承座不但为轴给以支持，还得经受轴传来的各类载荷。可行的轴承座不仅能够减轻轴的偏心振动，还可以保证机械设备的正常运作，都是具有关键作用。但由于轴承座的形状复杂，传统的解析法在计算轴承座的承载性能时存在较大误差[1]。在这里，通过有限元分析法解决此类问题，将复杂的问题简单化之后进行求解。现在，客户对于产品的各方面的要求变得越来越严格。从产品的性能要求，使用寿命等各方面，这关系到一个公司的信誉，而公司是最终是盈利，所以又必须节约材料成本，所以在满足使用性能要求等方面情况下，尽可能节约成本。现在很多现实问题比较难以解决，而有限元的出现是问题缓解，它不仅计算精度高，还可以针对各类复杂造型，使它成为有效的工程分析方法。在众多领域中，有限元成为重要的研究手段。在这里有限元仿真能够对其进行静力学分析及优化，了解有限在生活中的应用之广泛，成为工程上必不可缺的方法。
1.2 现代设计方法
现代的设计手段多种多样。例如，具有可靠性的设计、借以计算机作为辅拟的方法、进行虚拟设计、有限元法、人机工程、反求工程、还有人工神经元计算方法等多种手段。但是，都是依靠计算机来分析，结合这些手段进行设计的。
计算机辅助设计
计算机辅助设计即CAD。主要通过计算机技术将其设计过程引入，以此完成相应的计算、画图，以及其他任务的一种现代设计手段。
优化设计
优化设计（Optimal Design）主要应用在工程设计问题上，是一种通过找寻最好的优化设计方法在全部可行的方法中。
可靠性设计
可靠性设计（Reliability Design）主要是保证产品的可靠性为目标的现代设计手段，以失效分析、失效预测和各类可靠性试验作为为依据，并将概率论和数理统计为理论基础。
有限元法
现如今，不仅工程中繁琐而庞大的非稳定且非线性问题可以用有限元法得到解决，还可以解决复杂结构的静态和动力学分析。能过准确计算出零件的应力和位移分布情况，成为对零件强度、刚度计算的有效分析工具。
5、反求工程设计
反求工程设计（Reverse Engineering）是消化吸收并改良国内外先进技术的一系列工作方法与技术的总和。
该论文课题的研究主要运用的是有限元法，有限元分析法是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。它是一种有效的数值分析手段，首先出现在50年代的连续体力学领域，关于飞机结构静态和动态特性分析中。之后很迅速在求解热传导、流体力学等中被应用。这几年来，有限元分析主要在计算机技术、数值分析手段下发展起来的。有限元分析法为解决工程中的疑难计算问题，给与了有效途径。在实践中，有限元分析与CAD的集成使得设计水准大大提高，有了质的飞跃，主要表现在增加了设计功能，从而减少了设计的成本；大大缩减了设计和分析产生的周期；提高了产品的可靠性；通过优化设计降低了材料的成本；可以在制造前发现隐形问题；模拟各种方案，减少了时间和经费。
1.3 有限元技术在国内外的发展与应用
1.3.1 国外有限元技术的发展与应用
有限元法在1943年R.Courant首先提出的，自从被提出后，有限元理论及应用很快获得了发展，在以前不易解决的各种相关问题，都可得到新的解决方法。但实际问题往往是分析有限，为解决这类问题，美国学者heofanis Strouboulis & LinZhang提出用GFEM解决分析域内含有大量孔洞特征的问题，比利时学者Nguyen Dang Hung和越南的Tran Thanh Ngoc提出用HSM解决实际开裂问题，印度博士用ANSYS对拖拉机前桥进行优化设计[2]。在20世纪50年代末、60年代初，因投入大量的人力和物力，拥有强大功能的有限元分析程序被研发出来。其中最为著名的是，在1965年，美国国家宇航局(NASA)委托美国计算科学公司与贝尔航空系统公司一起开发的NASTRAN有限元分析系统。该系统至今已发展有几十个版本,是当今世界上规模最大，功能最强的有限元分析系统。自那以后,世界各地的研究机构和大学也开发了一批规模较小但是使用比较灵活，而价格较低的专用或通用有限元分析软件,主要有德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS等公司的产品。国外的有限元法后期阶段的发展表现：第一，建立严格了数学和工程学基础；第二，应用范围扩展到了结构力学以外的区域；第三，收敛性也获得了进一步研究，形成了系统的误差估计理论；第四，发展起了相应的商业软件包[3]。有限元方法被很好的利用，列如：有限元应力分析方法在内燃机制造业中正在得到越来越广泛的应用，用以确定承受热负荷或机械负荷的零部件中的弹性应力和新近提出的塑形应力[4]。法国的索尔飞机制造公司利用有限元技术取得了关键性突破。如图1.1所示飞机强度研究中经常用到有限元校核。
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