機(jī)械外文文獻(xiàn)翻譯--專用機(jī)床多軸箱的可靠性分析【中文3216字】【PDF+中文WORD】,中文3216字,PDF+中文WORD,機(jī)械,外文,文獻(xiàn),翻譯,專用,機(jī)床,軸箱,可靠性分析,中文,3216,PDF,WORD 【中文3216字】 International Journal of Science Vol.3 No.5 2016 ISSN: 1813-4890 專用機(jī)床多軸箱的可靠性分析 Qingchen Li, Yinghua Liao, Fengjiang Li 四川理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，中國自貢643000 摘要： 在專用機(jī)床中，箱體是多軸箱最重要的部件之一，其變形將直接影響多軸箱中部件的位置精度，從而影響整個(gè)多軸箱的精度和可靠性。箱體變形的有限元分析通?；谀承﹨?shù)?？紤]到實(shí)際中彈性模量，密度和切削力的隨機(jī)性，在有限元分析軟件ANSYS中建立了箱體的有限元模型，彈性模量，密度和切割力被認(rèn)為是隨機(jī)輸入變量，最大變形被認(rèn)為是輸出變量，采用蒙特卡羅方法分析箱體的可靠性，并獲得箱體允許變形的可靠性。 提供了一種可行的分析方法，用于箱子和類似零件的可靠性設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞： 箱子； 可靠性；蒙特卡羅方法；ANSYS 1、前言： 在專用的機(jī)床中，箱體是多軸箱最重要的部件之一。多軸箱的軸，軸承，軸承蓋等部件分別通過不同的安裝形式安裝在箱體上。該箱還通過其自身的結(jié)構(gòu)將整個(gè)多軸箱固定在機(jī)床上。該箱不僅在多軸箱內(nèi)部分與加工件之間傳遞力和扭矩，而且在確保每個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的位置精度以及旋轉(zhuǎn)軸與機(jī)床導(dǎo)軌的相對(duì)位置精度之間起著重要的作用。 箱體在外力作用下會(huì)變形，其變形將直接影響多軸箱內(nèi)部件的位置精度，影響整個(gè)多軸箱的精度和可靠性。如果箱體的變形太大，超出允許范圍，則可能導(dǎo)致多軸箱的故障。 箱體變形的有限元分析通?；诖_定性參數(shù)，也就是說，材料性質(zhì)，邊界條件，載荷等參數(shù)都是有保證的。然而，這些參數(shù)存在許多不確定性，這對(duì)確定性有限元分析帶來了一些新的問題。 一方面，隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，提出了很多高精度元件，使計(jì)算精度越來越高。另一方面，材料參數(shù)，邊界條件和載荷具有較大的統(tǒng)計(jì)隨機(jī)性，這使得由于統(tǒng)計(jì)隨機(jī)性的影響，高精度元件的高精度大大降低。為了解決這個(gè)問題，有必要將材料性質(zhì)，載荷等不確定因素作為隨機(jī)變量，進(jìn)行箱子的可靠性概率分析[3]。在本文中，以專用機(jī)床鉆多軸箱為例，使用有限元軟件ANSYS對(duì)箱體的可靠性進(jìn)行了研究。 2、 可靠性分析理論 對(duì)于多軸箱箱體的情況，其可靠性意味著在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)完成指定功能的概率?？梢哉J(rèn)為其失效最大變形大于允許變形，這樣就不需要加工精度。故障概率Pf可表示為： （1） 在公式中，g（x）是極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)函數(shù)，其中隨機(jī)變量X =（X1，X2，... Xn）表示隨機(jī)參數(shù)。當(dāng)g（x）> 0時(shí)，箱子處于安全狀態(tài)。當(dāng)g（x）= 0時(shí)，箱子處于極限狀態(tài)。當(dāng)g（x）<0時(shí)，箱子失敗。通常，很難直接建立f（x）的表達(dá)式。在ANSYS中，盒子的可靠性可以通過蒙特卡羅方法進(jìn)行研究。蒙特卡羅模擬方法的基本思想如下：首先構(gòu)建一個(gè)與研究對(duì)象相對(duì)應(yīng)的隨機(jī)模型，形成隨機(jī)變量及其數(shù)字特征（如概率，期望等）。然后要做大量的隨機(jī)實(shí)驗(yàn)以獲得大量隨機(jī)變量的樣本值。最后，使用統(tǒng)計(jì)特征來計(jì)算數(shù)字特征的估計(jì)值。 基于這個(gè)想法，設(shè)置對(duì)象函數(shù)Z = g（X1，X2，... Xn），其中Xi是隨機(jī)變量，它遵循一定的分布。對(duì)X進(jìn)行N次隨機(jī)抽樣，得到N組樣本。然后將j組的值代入對(duì)象函數(shù)，得到Zj（j = 1,2，... n）的值。如果N中有Nj組使Zj <0，結(jié)構(gòu)失效的概率為： （2） 在公式中，N是樣本總數(shù)，Nf是失敗次數(shù)。 3.可靠性分析步驟 3.1建立箱子模型 在使用ANSYS研究箱體的可靠性之前，首先必須建立箱體的結(jié)構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)模型的質(zhì)量將在很大程度上影響有限元分析的效率和精度。因?yàn)锳NSYS建模操作非常復(fù)雜，所以本文使用三維建模軟件Proe對(duì)框進(jìn)行建模，然后將模型導(dǎo)入ANSYS。在ANSYS中分析時(shí)，圓角，倒角，螺孔等小結(jié)構(gòu)將分為多個(gè)要素，大大增加了分析時(shí)間。有限元分析的結(jié)果在忽略這些小特征之后不會(huì)產(chǎn)生很大的變化。所以在建筑結(jié)構(gòu)模型的過程中，箱子被簡(jiǎn)化了。簡(jiǎn)化箱包括主題箱和箱蓋兩部分。主題箱的模型如圖1所示，箱蓋的型號(hào)如圖2所示。由于主體箱和箱蓋通過螺絲連接，因此它們之間不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，因此箱子的兩個(gè)部分被認(rèn)為是有限元分析的組成部分。箱型號(hào)如圖3所示。 圖1：主題箱模型 圖2：箱蓋模型 圖3：多軸箱的箱模型 3.2進(jìn)行可靠性分析 當(dāng)使用ANSYS可靠性分析模塊Prob Design對(duì)箱體進(jìn)行可靠性分析時(shí)，包括以下三個(gè)步驟：生成分析文件，執(zhí)行可靠性分析和處理結(jié)果。 （1） 生成分析文件。分析文件是指循環(huán)文件的可靠性分析，需要用ANSYS編寫的參數(shù)設(shè)計(jì)語言APDL。分析文件的合理性是可靠性分析計(jì)算效率和結(jié)果正確性的重要保證。分析文件的創(chuàng)建包含預(yù)處理，求解和提取結(jié)果3部分。 第一步是對(duì)箱子進(jìn)行預(yù)處理：首先引入箱型，元件類型為SOLID185，材料參數(shù)E = 1.4e11，泊松比為0.25，密度為7300N / m3。然后網(wǎng)格化模型（元素級(jí)別設(shè)置為級(jí)別3）。箱體的有限元分析模型如圖4所示。 第二步是解決，對(duì)箱體和機(jī)床的接觸面設(shè)置完全限制，設(shè)定切削力F = 663.8N，然后由Solver求解。第三步是提取結(jié)果，提取盒子的最大變形，設(shè)定為U的參數(shù)。 （2）進(jìn)行可靠性分析。 進(jìn)入分析文件后，需要重復(fù)分析文件實(shí)現(xiàn)可靠性分析，這是可靠性分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 這個(gè)階段主要包括：輸入和輸出變量的定義，分析方法的選擇，可靠性循環(huán)的執(zhí)行3個(gè)步驟。 無論是靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)分析，材料被認(rèn)為是理想材料，其參數(shù)與理論值相符。但實(shí)際上材料之間存在很小的差異，材料參數(shù)不能絕對(duì)相同。另外，由于外部條件如溫度等因素，如切削刀具，工件，切削力的大小也在變化。因此，您可以指定材料的彈性模量，密度和切割力作為隨機(jī)輸入變量，其參數(shù)如表1所示。 圖4：箱的有限元分析模型 接下來，將箱的最大變形設(shè)定為輸出變量U。 然后選擇蒙特卡羅的拉丁超立方體作為分析方法循環(huán)500次，進(jìn)行可靠性分析。 （3） 處理結(jié)果。 循環(huán)完成后，可以查看輸入和輸出變量的采樣值，直方圖和概率累積曲線。 表1隨機(jī)參數(shù) · 分布型 · 平均值 · 標(biāo)準(zhǔn)差 彈性模量E(Pa) · 高斯 · 1.4E11 · 1.4E9 密度ρ(N / m3) · 高斯 · 7300 · 100 切削力f(N) · 高斯 · 663.8 · 20 4. 可靠性分析的結(jié)果 三個(gè)輸入變量的統(tǒng)計(jì)直方圖如圖5,6和7所示： 圖5：彈性模量E直方圖 圖6：密度ρ直方圖 圖7切削力F直方圖 在該圖中，水平坐標(biāo)表示每個(gè)隨機(jī)變量的值，縱坐標(biāo)是相對(duì)頻率（總樣本數(shù)的值的樣本數(shù)的比例）。紅線是適合每個(gè)值的頻率的曲線。從統(tǒng)計(jì)直方圖可以看出，3個(gè)隨機(jī)變量的曲線非常平滑，形狀符合GAUSS分布的特征，這意味著樣本數(shù)量500次就足夠了。 各輸入變量的值如表2所示。 表2輸入?yún)?shù)的值特征 平均值 標(biāo)準(zhǔn)差 最大值 最小值 彈性模量E(Pa) 1.4E11 1.398E9 1.44E11 1.357E11 密度ρ(Kg/ m3) 7299.9 99.86 7589.3 6990.3 切削力f(N) 663.81 20.06 731.25 605.56 從表中可以看出，每個(gè)參數(shù)值與預(yù)設(shè)值非常相似，這意味著該值是合理可靠的。 將置信概率設(shè)置為95％，我們可以得到輸出變量的抽樣，直方圖和概率累積曲線，如圖8,9和10所示。 圖8：輸出參數(shù)U的采樣 圖9：輸出參數(shù)U的直方圖 圖10：輸出參數(shù)U的概率累積曲線 從圖中可以看出，當(dāng)彈性模量，密度和切削力的值不再恒定時(shí)，箱的最大變形U不再固定，而近似GAUSS分布，平均值約為1.2893 ×10-6mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差約為2.1436×10-8mm。另外，我們可以根據(jù)概率累積曲線，在一定的變形下繼續(xù)計(jì)算箱子的可靠性。如表3所示，給出了一些典型允許變形下箱體的可靠性。 表3：典型容許變形箱體的可靠性 允許變形（mm） 1.25e-6 1.3e-6 1.35e-6 可靠性 43.04% 69.83% 99.76% 相反，我們也可以在一定的可靠性下計(jì)算出允許的變形。 例如，為了確保箱子的可靠性不低于98％，箱子的允許變形量不能小于1.335e-6mm。 在實(shí)際設(shè)計(jì)和優(yōu)化的過程中，不僅要知道哪些因素可能會(huì)影響變形，還要了解這些因素對(duì)變形的敏感性，然后確定主要和次要關(guān)系，以考慮各種因素的最優(yōu)設(shè)計(jì)。 通過ANSYS的可靠性分析，可以清楚地得到這些數(shù)據(jù)。 彈性模量，密度和切削力對(duì)變形的敏感度如圖11所示。 圖11：參數(shù)靈敏度分布圖 可以看出，在三個(gè)因素中，材料的密度是影響箱體變形的最重要因素，其次是彈性模量，切削力的影響非常小。 這種現(xiàn)象的原因是切割力F的變化范圍小。 5、 結(jié)論 （1）當(dāng)彈性模量，密度和切削力用作隨機(jī)輸入變量時(shí)，箱體的最大變形U不再固定，但近似GAUSS分布，平均值約為1.2893×10-6mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差 約為2.1436×10-8mm。 （2）允許變形1.35×10-6mm箱體的可靠性為99.76％。 相反，為了確保箱子的可靠性不低于98％，箱子的允許變形不能小于1.335e-6mm。 （3）在三個(gè)因素中，材料的密度是影響箱體變形的最重要因素，其次是彈性模量，切削力的影響非常小。 這是因?yàn)榍邢髁的變化范圍小。 致謝 本文由四川理工大學(xué)（編號(hào)y2014035）研究生創(chuàng)新基金，自貢市科技局（2013J19）和四川理工大學(xué)（2014PY04）支持。