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基于ANSYS有限元分析的高速空气静电主轴的动静态性能分析罗小百 2111001012空气静压电主轴是高速精密数控机床的关键部件之一，其动态特性是影响高速数控机床的加工质量和切屑能力的重要因素。因此，电主轴的动能特性研究，对于进一步提高高速机床的工作性能是有十分重要的现实意义。当前电主轴的动力学分析中常采用简化法来处理轴承单元的刚度问题，也就是将轴承用假设的弹簧单元来代替，利用有限元法或者传递矩阵法等数值计算发计算主轴的各阶固有频率和振型。虽然该方法难以解决空气轴承的非线性问题，但在滚子轴承电主轴的分析上很有效。本文高速空气静压电主轴为研究对象，采用有限元分析方法，把空气轴承简化成两对弹簧单元组，每对4根弹簧单元，采用ANSYS软件对电主轴的动态特性进行相关仿真分析。本文对电主轴进行静力分析和模态分析。静力分析是结构分析的基础。而模态分析是动力学分析的基础，对空气静压电主轴进行模态分析的最终目标是识别出电主轴的模态参数，为电主轴结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。在进行模态分析时，唯一有效的约束是零位移约束。如果在某个DOF处指定了一个非零位移约束，程序将以零位移约束替代在该DOF处的设置，在模态分析中，只有线性行为是有效的，如果存在非线性单元，必须将该非线性单元转化成线性单元，方可进行分析，否则非线性特性将被忽略。本文采用弹簧阻尼单元模拟空气轴承的方法，把空气轴承简化成两对弹簧阻尼单元组，每对4根弹簧阻尼单元，设定相应的刚度，且弹簧阻尼单元沿圆周方向均匀分布的有限元模型，对电主轴进行模态分析。主要有四个步骤组成：建模、加载及求解、扩展模态、结果后处理。由振动理论可知，在结构的振动过程中起主要作用的是较低阶的模态，高阶模态对响应的贡献很小，并且衰减很快，故只考虑低阶模态。本文在求选项中设定提取10个模态，采样频率为0～4000Hz，求解采用Block Lanczos算法。电主轴采用3Dmass 21单元，弹性模量为2MPa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m3，径向轴承简化成的弹簧的刚度为1750N/mm，止推轴承简化成的弹簧的刚度为2500N/mm，边界条件为主轴由径向轴承和止推轴承共同支撑，本文简化为弹力，转速为150000r/min（15700rad/s）。建模：如图1，空气静压轴承简化为弹簧。图1得出的各阶模态的频率，如图2所示。图2各阶频率事电主轴的振型图，如图3所示。一阶二阶三阶四阶五阶六阶图3电主轴模态分析所得到的各点位移并不是结构的真实位移，是一个相对值，有意思的是各界频率时电主轴最大振幅的位置、不同部位的振动位移相对值。从图3中可以看出，在各阶频率下，电主轴前端的变形量最大。模态分析得到的振型为：第一、二阶的振型是轴向平动，第三、四阶的振型是径向平动，第五、六阶是弯曲变形，频率增加时，各阶频率中主轴振动变形的最大振幅也增大。其中，在频率f=1813.1Hz时，空气静压电主轴的前端振幅最大，主轴的变形表现为弯曲振动。