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7.3主轴仿真分析综合实例

    在整体熟悉7.1节和7.2节仿真分析流程之后,读者对SolidWorks Simulation和Flow
Simulation的使用有了一个大概的了解,通过这些内容的学习,读者基本可以对一般的零件进行
简单的结构分析和一些水道的流体分析。而仿真分析软件的强大功能远远不止以上内容,下面再
对以上内容进行进一步的巩固和延伸,让用户对这两款仿真插件更加熟悉和有更进一步的了解。
 
  7.3.1  结构静力学分析
 
  以机床主轴为例,主轴是现代机床的核心部件,提高机床的质量关键在于对主轴的设计进行
优化,而结构的优化设计可以用计算机仿真分析软件进行辅助设计。这个例子可以使读者更加切
合实际地做一次结构分析。
  【操作步骤】
  步骤01  打开光盘文件一“第7章”一“7.3”一“静力学分析”一“电主轴转轴”。
  步骤02 选择单位。单击Simulation下拉菜单,选择“选项”命令,进入“默认选项一单位”
对话框,单击“默认选项”选项卡,将“单位系统”选项组中的单位更改成“公制”,并将温度
单位更改成“摄氏”温度,如图7-106所示。
    单击“确定”按钮,完成单位设置。

SolidWorks2014工程实例与仿真 7.3主轴仿真分析综合实例1
SolidWorks2014工程实例与仿真 7.3主轴仿真分析综合实例

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    步骤05  定义材料。右击“主轴”选项,选择“应用编辑材料”命令,进入“材料”对话
框,选择“合金钢”,单击“应用”按钮,单击“关闭”按钮,如图7-108所示。


图7-108定义材料

    步骤06  定义夹具。右击“夹具”选项,选择“固定铰链”命令,进入“夹具”属性管理
器(见图7-109),并选择如图7-110所示的铰链固定的面。

图7-112加载外部载荷

图7-113  网格划分

图7-114  运行算例

图7-115探测实体位移

  7.3.2  主轴热力学分析
 
  转速高、发热量大是主轴的另一特点,主轴的转速越高,发热量也就会越大,对主轴精度的
影响也就越大,所以设计人员在设计主轴时一定要考虑到主轴的散热问题,将主轴工作时的温度
控制在一定的范围之内。而主轴轴内部发热是一个复杂的过程,影响因素也很多。其中主要是轴
承的摩擦发热(主要包括油气润滑介质和轴承滚动体的摩擦发热、轴承滚动体与轴承内外圈的滚
道接触摩擦发热),影响轴承发热的因素主要有主轴的工作转速、油气润滑介质的黏度、油气润
滑的流量、轴承预紧力的大小等。
    主轴热分析的关键在于皮带轴部件与流体介质的对流换热系数很难确定,由于条件有限,对
流换热系数只能根据专家学者的实验数据和经验公式来确定。下面以皮带轴为例介绍用
SolidWorks Simulation对转轴进行热分析的过程。
  【操作步骤】

图7-116新建算例

图7-117选择材料

    步骤05  添加热阻。右击“连接”选项,选择“相触面组”命令,进入“相触面组”属性
管理器。在“面”列表框内选择相应的面组,在“热阻”栏内输入热阻125,如图7-119和图7-1120
所示。

图7-119添加前轴承热阻

图7-120添加后轴承热阻

图7-123添加后轴承热量

图7-124网格控制

图7-126运算结果

图7-126运算结果

    从图7-128中可以看出皮带轴转轴最高温度为338.5K,比室温高出40.35K,这在皮带轴转
轴允许的温度范围之内,所以皮带轴转轴所受到的温度影响不大,加工精度在温度这一方面可以
得到保证。
 
  7.3.3流体热分析
 
  在实际生活中,往往不止分析流体或温度的单独作用,而是把两者耦合起来一起分析,如计
算机散热片给电路板散热就是气体与固体的耦合分析,电主轴水道中的水流给主轴降温就是液体
与固体的耦合分析等。这类问题涉及的参数非常多,比较难分析,这里不考虑参数的来源,只是
将分析的过程给读者展示一下。

 【操作步骤】
  步骤01  打开光盘文件一“7.3”一“流体热分析”一“电主轴”一“电主轴.SLDASM”。
因为已经在之前的章节中给这一文件创建了封盖,所以在这里就接着创建封盖后的模型继续讲解。
    步骤02 创建向导。单击“向导”按钮,出现“向导一项目名称”对话框,将“项目名称”
文本框中的内容改为“流体热分析”,如图7-129所示。

 图7-129设置项目名称

    单击“下一步”按钮,弹出“向导一单位系统”对话框,选择单位“S[m.kg.s]”,如图7-130
所示。

图7-130选择单位

    单击“下一步”按钮,弹出“向导.分析类型”对话框,点选“内部”单选按钮,选择“排
除不具备流动条件的腔”复选框,选择“固体内传导”复选框,并将重力方向改成沿Z轴负方
向,如图7-131所示。

图7-131  设置分析类型

    单击“下一步”按钮,弹出“向导一默认固体”对话框,在该对话框内所要选取的是默认的
固体的材料,对于不同的材料其导热系数和传热系数是不同的,所以选择的材料越接近真实材料,
分析的结果就越精确。本例中由于主轴中不同的零件材料不同,所以为了分析方便,折中选择“不
锈钢302”为默认固体材料,如图7-133所示。
 
    单击“下一步”按钮,弹出“向导一壁面条件”对话框,将“壁面条件”设置为“热能耗”,
并在“热能耗”选项中输入“150W”。注意,这里的“热能耗”是指主轴外壁向外部环境散热的
功率,如图7-134所示。

    单击“下一步”按钮,弹出“向导一默认固体”对话框,在该对话框内所要选取的是默认的 固体的材料,对于不同的材料其导热系数和传热系数是不同的,所以选择的材料越接近真实材料, 分析的结果就越精确。本例中由于主轴中不同的零件材料不同,所以为了分析方便,折中选择“不 锈钢302”为默认固体材料,如图7-133所示。     单击“下一步”按钮,弹出“向导一壁面条件”对话框,将“壁面条件”设置为“热能耗”, 并在“热能耗”选项中输入“150W”。注意,这里的“热能耗”是指主轴外壁向外部环境散热的 功率,如图7-134所示。

   单击“下一步”按钮,弹出“向导一初始条件”对话框,保持默认条件不变。
    单击“下一步”按钮,弹出“向导一结果和模型精度”对话框,“结果精度”改为“3级”,
勾选“手动定义最小缝隙尺寸”复选框,在“最小缝隙尺寸”文本框输入数值0.009,单击“完
成”按钮,完成向导设置,如图7-135所示。

图7-135  设置结果和模型精度

图7-137定义封盖材料

图7-138  定义壳体、内水套等零件的材料

    步骤05  添加热源。选择“流动模拟”一“插入”一“表面热源”命令,进入“表面热源”
属性管理器。选择前轴承座的内表面为生热面,并在“参数”栏内输入产热功率“200W”,如
图7-141和图7-142所示。

    步骤05添加热源。选择“流动模拟”一“插入”一“表面热源”命令,进入“表面热源” 属性管理器。选择前轴承座的内表面为生热面,并在“参数”栏内输入产热功率“200W”,如 图7-141和图7-142所示。

图7-142  定义表面热源

图7-142  定义表面热源

图7一145运行前的设置

图7-147切面图

图7-149表面图

    完成上述步骤,也就对流体和固体的耦合分析有了一个大概的了解,而SolidWorks软件中
分析模块的功能远比此强大,更多的功能只有在进一步的学习中才能慢慢体会到。总而言之,
SolidWorks软件中的分析模块为那些对有限元分析不是很精通但又有一定了解的设计者有着很
大的帮助。


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