design,andthemaximumstressandstrainobtainedafteroptimizationaresignificantlyreduced.Theresultsobtainedby
0引言滚珠、丝杠、螺母等部件构成了滚珠丝杠副这一机械原件，它与传统滑动丝杠相比，有了很大的改进。由于滚珠丝杠副其较好的传动能力、良好的定位精度、出色的可逆性、较长的使用寿命、优秀的同步性等特点，被大量使用在精密机械、航空航天等方面。目前国内对于滚珠丝杠副的构造、性能也进行了大量的研究。汤文成、徐楠楠[1]对滚珠丝杠的起源、成长及现在国内外各方面的相关研究进行了归纳与总结；陈勇将等[2]对滚珠丝杠的刚度影响原因及其相关规律进行了科学的分析；宋现春等[3]则在有限元分析的理论基础上，探究了螺旋升角与滚珠丝杠副弹性变形之间的关系；魏效玲等[4]通过对滚丝杠副采取动静态特性研究，对滚珠丝杠副的探究提供了可以参考的科学依据；崔高尚等[5]在赫兹理论基础的前提下，深度分析了双螺母滚珠丝杠副中滚珠与丝杠、螺母的弹性接触变形；陈曼龙[6]对滚珠丝杠的结构进行了深度的研究与理论分析，解释了滚珠丝杠为什么会发生滑动，同时提供了其发生滑动的条件。由此，本文对滚珠丝杠副的静力学特性进行探究，利用ANSYSWorkbench软件，对其进行有限元分析。
些，所以本文借助专业的三维建模软件画出滚珠丝杠的三维图，而后再使用Workbench进行建模、计算与分析。建模的同时，去掉一些对于分析几乎没有影响的零部件，还有一些倒角、键槽，得到三维图如图1所示。2滚珠丝杠副有限元仿真2.1网格划分
滚珠丝杠副的有限元分析主要是对滚珠与丝杠和螺母两条滚
图1滚珠丝杠三维模型道的接触部分进行分析。如果按照真实结构进行分析，会增大软件对模型的计算量，使软件计算负担过大，花费大量的时间，甚至会导致计算中断，因此要对模型进行简化处理。由于丝杠的螺纹长度与所要分析的受力变形没有太大关系，因此为了便于软件对模型的计算，可以通过缩短它的长度来实现。计算节点过多，会导致计算中断，所以可以减少滚珠的数量，这样可以防止计算中断，也大大提高了计算效率。在滚珠丝杠副有限元分析时，为了便于计算，且对于各个部件的网格没有特别高的要求，因此可以采用软件中的自动划分网格命令进行网格划分，网格划分完成后，得到网格数量是16017个，不会使软件进行大量的计算，网格模型如图2所示。2.2添加约束和载荷
在真实工作时，丝杠有一个绕轴转动，而螺母则有一
1建立滚珠丝杠副三维模型
滚珠丝杠的基本参数为：丝杠的公称直径d0=40mm，导程Ph=10mm，滚珠直径db=4.6mm；弹性模量为E=2.1伊10
5
MPa，泊松分布滋=0.3，密度为7850kg/m3。由于ANSYSWorkbench内部自带的三维绘图的功能相比专业软件弱
38圆园员9年第10期网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com机械工程师MECHANICALENGINEER个轴向移动，所以要在软件中添加移动副、转动副来模拟真实工作情况。将一个相对于地面的转动副添加给丝杠，来模拟工作中丝杠的旋图2网格划分应变值由中心向外逐渐变小，这样的情况与Herfz接触理论相符。由图6(c)、图6(d)可以看到，螺母在受到工作载荷的作用下，螺母大端面的形变较大，其最大的形变为0.095mm；而丝杠上的变型主要发生在与滚珠接触的部分，由于丝杠受到滚珠的挤压，而产生了变形，最大形变为0.05mm。4
（c）（b）（a）转，在软件中选取“Revolute”命令，如图3
（a）所示；其次，将一个相对于地面的轴向移动副添加到螺母上，可以当做是螺母在丝杠上的轴向运动，在软件中选取“Translational”命令，如图3（b）所示。（a）（b）优化设计
图5滚珠丝杠副应力云图图3添加转动副和移动副运用Workbench中的DesignExplor-ation模块对其进所示。将优化的参数设置为螺母大端面的直径P1=100mm，螺母大端15mm，螺母的大0.70742kg，整体0.11098mm,滚珠13346MPa。面的厚度尺寸P2=端面的质量P3=的最大变形量P4=上的最大应力P5=
将设计的参
（c）（a）滚珠丝杠副在工作时会受到惯性负载和非惯性负载。其中惯性负载有重力加速度和旋转速度；而非惯性负载是螺母所受的预紧力和大端面受到的工作负载。因此，本文设置两个分析步，分别给螺母的大小端面添加负载，每一个分析步设置为1s。首先，沿Y轴负方向在滚珠丝杠副上添加一个重力加速度，而后将5MPa的轴向预紧力载荷施加在螺母小端面上；然后，在第一步的基础上，添加绕Z轴且速度为12000r/min旋转于丝杠上，同时在螺母大端面上添加工作负载15MPa。施加载荷如图4所示。3
仿真应力从滚
行优化设计,如图7
结果分析3.1分析
图4滚珠丝杆副载荷施加（b）珠丝杠副各个部件应力云图中可以看到，滚珠丝杠副所受的应力大部分集中在螺母滚道、滚珠、丝杠滚道相接触的局部位置。由于滚珠丝杠副在工作时，这几个部分因为接触而相互作用，从而应力会集中在接触的部分。如图5(a)所示，螺母所受的应力主要集中在螺母滚道上，其最大应力值为204.56MPa。如图5(b)所示，在丝杠滚道上出现了明显的应力集中现象，受到的最大应力值为750.17MPa。从图5（c）中可以看到每个滚珠的应力分布基本相MPa。3.2
同。在丝杠滚道和螺母滚道与某几个滚珠所接触的局部位置，可以看到比较大的应力集中现象，最大值为13346
形变分析
数变化范围设定在系统的默认范围内，然后生成了10组设计点，通过软件的运算得出了一组最佳的设计点，如表1所示。根据表中的
图6（d）滚珠丝杠副应变云图数据对比，可以明显看出，在改变螺母大端面的参数后，滚珠丝杠副的最大变形量及滚珠的最大应力有了明显的降低。5
结论
本文使用三维建模软件以及ANSYSWorkbench仿真
（下转第43页）
由图6(a)、图6(b)可以看出，滚珠丝杆副的最大形变量为0.11mm，并且最大形变发生在滚珠上，同时可以明显地观察到滚珠与滚道间的接触区域呈现出椭圆状分布，
网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com圆园员9年第10期39机械工程师MECHANICALENGINEER60毅90毅120毅0.50.40.30.20.107.00.5mm0.7mm0.9mm0.50.40.30.20.17.17.2时间/s7.37.47.507.07.17.2时间/s7.37.47.5图12不同阀芯阻尼孔时活塞杆速度响应0.60.50.40.30.20.107.07.17.27.37.47.50.3mm0.5mm0.7mm图14不同阀口锥角时活塞杆的速度响应[参考文献]
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软件，对滚珠丝杠副进行建模与仿真，通过计算结果云图，对丝杠、滚珠、螺母滚道进行分析，得到它们的最大形变量与应力分布情况，分析它们的形变与应力，运用
图7DesignExploration模块邵明涛）作者简介：朱昭凯（1994—），男，硕士研究生，研究方向为机电液一体化；吴向东(1966—)，男，副教授，硕士，主要从事流体传动与控制方面的工作。收稿日期：2019-03-22[参考文献]
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P4/mmP5/MPa表1最佳设计点与原参数对比设计点DP0DP1P1/mm100.095.415.00014.369P2/mm0.707420.11098013346.000.596680.076977719.48P3/kg作者简介：钱文海（1995—），男，硕士研究生，研究方向为重型装备制造；陈再良（1963—），男，博士，教授，硕士研究生导师，研究方向为重型装备制造。收稿日期：2019-04-17进行优化设计，优化后得到的最大应力、应变都明显降低，达到了优化的目的。本文仿真所得到的结果为其结构的设计、性能优化等方面提供可以参考的依据。
网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com圆园员9年第10期43
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