高速钻轴的自动化动态分析

系统钻头有限公司是钻头和精密主轴预定的世界供应商，主要服务于汽车行业里的引擎制造商。为了帮助加快特定应用的模具设计，该公司购买了LUSAS有限元软件，并指导了FEA有限公司的工程咨询服务部，为自动化的振动分析开发了一套自定义的用户界面.

在钻轴的加工过程中，振动性能是一个非常重要的因素。甚至是非常小振幅的振动，或“颤振”，也能够导致机器零件上不可接受的表面抛光度。在一些极端情况下，振动能够引起工具或加工件的破坏。因此，共振问题的避免在机器系统的设计中也是很重要的因素。原型测试通常不可能在开发周期中，因此振动必须在设计阶段进行考虑.

初步研究表明，简单的直线梁模型能够提供合理的动态解决方案，而且这些方案形成了参数程序的基础。三维梁代表钻轴，弹簧支承代表轴承。特征值分析被进行，来确定主轴的固有频率和模态振型，包括面内和面外的弯曲、轴向和扭转效应。交互式模态动力分析(IMD)程序用于计算频率响应函数，并与主轴的运行速度以及其谐波进行对比。分析的全过程都是自动化的，用户只需要描述轴剖面和轴承的配置。所有的网格划分、分析以及后处理（包括动态强迫响应），都是由程序自动操作。这种方法除了能加速分析过程，而且能使建模和分析过程相一致.

由于主轴模型相对比较简单，所以模型的建造采用一种简单的“自上而下”的方法。用户依次输入外部直径、内部直径和每个部分的长度，从一端开始，沿着轴线到另一端结束。除了建造用于结构分析的梁模型外，程序还生成一系列面，用来显示实际输入的几何特征。此外，在截面改变的地方，非结构的梁的“轻型刚性”十字交叉被添加到结构模型中，以帮助后处理中的可视化（没有它们，扭转模态将难以确定）。随着程序的进行，所有的几何和材料属性将自动地被计算和设置.

一旦轴被定义，轴向位置的指定以及轴承的预加载将被输入。梁模型将在轴承位置处自动地被破坏，弹簧将被添加。轴承刚度的数据库将被扫描，如果一个未知的轴承指定被选择，则需要用户输入刚度信息。一旦有限元模型被完成，则用户会被提示输入需要的模态数量。对静态和特征值分析，LUSAS结果文件都会被自动地生成。自动化的后处理函数，包括静态刚度输出、振型的动画显示以及频率响应的生成.

只要有可能，动态分析方法应该与试验结果进行对比。在这种情况下，一个常见主轴的动态测试被进行，包括裸轴和被装配的主轴的频率响应测量。一个冲击锤和加速计，连同“Data Physics”的基于双通道电脑的快速傅立叶分析设备被使用，来获得并处理力和响应的信号。这个测试提供了2500Hz频段的一系列高质量的频率响应测量。在相应的图形中，显示了实测的和预测的频率响应之间的比较。

FEA的工程咨询服务成功地配置LUSAS，完成了钻轴装配的快速自动化动态分析。通过与试验测量的对比，分析的结果被证实具有可靠的相关性。对具有基本专业知识的工程师进行简单的培训，该解决方法就能够有效地被使用。