论文总字数：18524字

摘 要

本文的研究对象为某型号空气静压主轴，主要分析主轴轴承参数对于主轴性能的影响、主轴在不同载荷下的静态特性以及主轴在标准支承结构下的低阶模态。本文的研究内容主要包括以下几个方面：

1. 对于空气静压轴承的优化，首先是对两种轴承的气膜部分进行建模，导入到ANSYS中，改变气膜厚度和供气压大小，仿真得出轴承承载能力和气膜刚度的变化，总结得出的数据的规律，从而挑选出最佳的参数搭配。
2. 运用单向的流固耦合分析方法，在主轴前端施加一个向下的载荷，仿真出主轴的最大变形处，得出主轴的径向静态特性；在主轴前端施加一个轴向向内的载荷，分析主轴的轴向位移，得出主轴轴向静态特性。
3. 简述模态分析的基本原理，使用ANSYS软件，将已画好的主轴模型导入，设置主轴为四处弹性支承，为径向轴承两处与轴向轴承两处，求解得出在这种标准支承下主轴的前四阶的固有频率和振型。

关键词：仿真分析 动静态分析 流固耦合 模态分析

Abstract

The research object of this paper is a certain type of aerostatic spindle. It mainly analyzes the influence of bearing parameters on spindle performance, the static characteristics of spindle under different loads and the low order mode of spindle under standard supporting structure. The research content of this paper mainly includes the following aspects:

Firstly, for the optimization of aerostatic bearing, first of all, the air film parts of the two bearings are modeled, which are imported into ANSYS to change the thickness of the air film and the size of the air supply pressure. Then, the bearing capacity and the air film stiffness of the bearing are simulated and the law of the obtained data is summarized, so as to select the best parameter combination.

Secondly, by applying the one-way fluid-structure coupling analysis method, a downward load is applied to the front end of the spindle to simulate the maximum deformation of the spindle and obtain the radial static characteristics of the spindle. An axial load is applied at the front end of the spindle to analyze the axial displacement of the spindle and obtain the axial static characteristics of the spindle.

Thirdly, this paper briefly describes the basic principle of modal analysis, USES ANSYS software, introduces the drawn spindle model, sets the spindle as four elastic supports, two radial bearings and two axial bearings, and calculates the natural frequency and mode of vibration of the first four orders of the spindle under the standard support.

Key Words: The simulation analysis；Dynamic and static analysis；Fluid-structure interaction；The modal analysis

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外对高精度机床的研究 1

1.2.1国外的研究进展与突破 1

1.2.2国内的研究进展与突破 2

1.3本课题具体来源及研究内容 3

1.3.1本课题研究背景及来源 3

1.3.2本文的主要研究内容 3

第二章空气静压轴承结构参数分析与优化 4

2.1空气静压径向轴承的结构参数分析与优化 4

2.1.1空气静压径向轴承的三维建模与分析前准备 5

2.1.2空气静压径向轴承的分析边界条件设置和参数分析 5

2.1.3有限元模型的边界条件设置 6

2.1.4供气压大小对径向轴承性能的影响 6

2.1.5气膜厚度对径向轴承性能的影响 7

2.2空气静压止推轴承结构参数分析与优化 8

2.2.1空气静压止推轴承的三维建模与分析前准备 8

2.2.2.有限元模型的边界条件设置 9

2.2.3不同气膜厚度时止推轴承的压力分布 10

2.2.4供气压对轴承性能的影响 11

2.3本章小结 12

第三章 流固耦合法分析空气静压电主轴静态特性 13

3.1流固耦合分析方法简介 13

3.2主轴的径向静态分析 14

3.2.1边界条件设置 14

3.2.2径向静态分析结果 15

3.3电主轴的轴向静态分析 17

3.3.1为主轴系统轴向静态分析的建模及网格划分 17

3.3.2轴向静态分析结果 17

3.4本章小结 18

第四章空气静压主轴的模态分析 19

4.1模态分析相关原理简述 19

4.2电主轴模态分析 20

4.3本章小结 23

总结与展望 24

经济效益与社会可持续发展 26

经济效益方面： 26

社会可持续发展方面： 26

参考文献 27

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

自此第二次工业革命后，制造业被提高到前所未有的地位，各式各样的机械被陆续发明，创造出来，在这其中起到关键性作用的便是各式机床。现如今，科技发展到今天，对机床的新的需求也被不断的提出。效率的提高，环境的保护，自生功能的强大都成为工程师们不断追求的目标。超高速电主轴就是一款代表着未来发展趋势的机床产品，也是如今研究的热点。

1.2国内外对高精度机床的研究

1.2.1国外的研究进展与突破

从1970年开始，美、英、德等传统工业强国就开始研发超精密机床。位于美国的 LLNL 实验室成功地在1984年研制出两台大型超精金刚石车床，一种为可将表面粗糙度降低至0.2的卧式机床,另一种则是LODTM大型立式光学金刚石车床,两种机床的测试系统都在当时相当先进至今仍然处于领先地位^[1]。在目前大型的具备国际先进水平的机床中，超精密机床可达到0.1个纳米的定位精度，而普通的机床已达到4的定位精度 ^[2]。

外国学者对于主轴系统的研究简述如下：BOSSMANNS B., 和Tu, J. F建立了高速电主轴功率分布的有限差分热模型，特别是传热和散热特性的有限差分热模型^[3]。ELESHAKY, M. E.根据数值求解了稳态、三维、可压缩流的全纳维斯托克斯方程.在分析了两种圆形轴承结构，表明预测的流体膜压力分布与其他研究人员的实验数据吻合较好^[4]。Sadek Z.Kassab等对一种外压矩形内嵌式气体轴承在不同工况下的性能特性进行了试验研究增大进气孔直径与承载长度之比，可提高进气孔的隐窝压力和承载能力^[5]。Hongrui Cao建立随着高速主轴系统的动态模型，速度的影响，通过仿真和实验，系统地研究了轴系和轴承上的陀螺力矩和离心力^[6]。Jung-Koo Park针对四自由度转子-轴承系统的稳定性问题，采用了非线性过渡分析方法 ^[7]。Eric R当终端用户在制造、计量和数据存储应用中寻求尽可能低的异步误差运动时，进一步研究其中的振动模式^[8]。Chen, Y S首先对拉杆受力进行了实验测量，并与静态条件(即不旋转)下的理论和有限元分析(FEA)数据进行了比较^[9]。Dongju Chen针对主轴刚度和转动误差，分析得出主轴系统的偏差基本与微尺度计算参数引起的主轴偏转相同 ^[10]。

1.2.2国内的研究进展与突破

我国的超精密加工技术起步较迟，但相较于外国的资本主导，我国集中力量办大事的体制也创造很多成就。例如，多种超精密车床相关的部件或测试仪器由我国北京机床研究厂率先取得突破，例如精度达0.025的精密轴承、红外大功率激光反射镜、超精密振动－位移测微仪等，成功达到世界一流水平 ^[11]。

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