Table Of ContentCopyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Оренбургский государственный университет»
Кафедра технологии машиностроения,
металлообрабатывающих станков и комплексов
С. В. Каменев, К. В. Марусич
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ В
АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЕ
«AUTODESK SIMULATION MULTIPHYSICS»
Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом
федерального государственного бюджетного образовательного
учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский
государственный университет» в качестве методических указаний для
студентов, обучающихся по программам высшего профессионального
образования по направлению подготовки 151900.68 Конструкторско-
технологическое обеспечение машиностроительных производств
Оренбург
2013
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.9.06:004.42(076.5)
ББК 34.63-04я7
К 18
Рецензент – профессор, доктор технических наук Ю. А. Чирков
Каменев, С. В.
К 18 Математическое моделирование шпиндельных узлов в автоматизиро-
ванной системе «Autodesk Simulation Multiphysics»: методические ука-
зания к практическим занятиям / С. В. Каменев, К. В. Марусич; Орен-
бургский гос. ун-т. – Оренбург: ОГУ, 2013. – 28 с.
Методические указания содержат практические рекомендации по подго-
товке математической модели шпиндельного узла металлорежущего станка с ис-
пользованием автоматизированной системы «Autodesk Simulation Multiphysics».
Методические указания предназначены для проведения практических
занятий по дисциплине «Компьютерные технологии в науке и производствах»
для студентов направления подготовки 151900.68 Конструкторско-
технологическое обеспечение машиностроительных производств.
Методические указания подготовлены в рамках проекта «Совершенство-
вание подготовки кадров для приоритетных направлений развития эко-
номики Оренбургской области на основе кластерной модели»
УДК 621.9.06:004.42(076.5)
ББК 34.63-04я7
© Каменев С. В.,
Марусич К. В., 2013
© ОГУ, 2013
2
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Содержание
Введение...............................................................................................................................4
1 Создание нового проекта.................................................................................................5
2 Формирование геометрической модели шпинделя......................................................6
3 Формирование конечно-элементной модели шпинделя............................................11
4 Формирование моделей опор шпинделя......................................................................17
5 Определение модели материала ...................................................................................20
6 Наложение силовой нагрузки........................................................................................22
7 Контрольные вопросы....................................................................................................25
Список использованных источников..............................................................................26
Приложение А Исходные данные для моделирования шпиндельного узла...............27
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Введение
Шпиндельный узел является одним из наиболее ответственных узлов метал-
лорежущего станка. Шпиндели, входящие в состав исполнительных устройств стан-
ков, служат для размещения приспособлений для закрепления заготовок (станки то-
карного или карусельного типа и др.) либо инструмента (фрезерные, шлифовальные,
расточные и др.). Поэтому характеристики шпинделей, как правило, определяют та-
кие важнейшие показатели металлорежущих станков, как производительность, точ-
ность, качество поверхностного слоя обрабатываемого изделия.
Целью настоящих методических указаний является приобретение студентами
знаний об особенностях применения современных компьютерных технологий и раз-
витие у них практических навыков математического моделирования шпиндельных
узлов с использованием CAE-системы «Autodesk Simulation Multiphysics», представ-
ляющей собой часть решения технологии «цифрового прототипа» компании
«Autodesk».
Достижение указанной цели способствует формированию ряда общекультур-
ных и профессиональных компетенций, таких как, например:
- способности к самостоятельному обучению новым методам исследования,
к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональ-
ной деятельности (ОК-2);
- способности разрабатывать теоретические модели, позволяющие исследо-
вать качество выпускаемых изделий, технологических процессов, средств и систем
машиностроительных производств (ПК-56).
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1 Создание нового проекта
Для построения модели шпиндельного узла [1] и проведения последующих
расчетов [2], прежде всего, необходимо любым из известных способов запустить
CAE-систему «Autodesk Simulation Multiphysics» создать в ней новый проект. Запуск
системы приведет к автоматическому появлению на экране диалогового окна
(рисунок 1), предлагающего открыть существующий проект либо создать новый
проект. Чтобы создать новый проект нужно в левой части окна активировать кнопку
New, а затем в поле выбора в средней части окна щелчком левой кнопки мыши вы-
делить пункт FEA Model [3].
Рисунок 1 – Окно создания нового проекта
Далее здесь необходимо выбрать тип анализа, для проведения которого будет
формироваться модель. Тип анализа выбирается путем нажатия кнопки в строке
Choose analysis type. После нажатия на эту кнопку в двух последовательно появ-
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ляющихся меню выберем пункты Linear и Static Stress with Linear Material Models и
нажмем кнопку New. В результате этого на экране появится стандартное для Win-
dows-приложения диалоговое окно сохранения файлов. При помощи данного окна
укажем директорию, куда будут сохраняться файлы проекта, и зададим произволь-
ное имя файла модели, например «Spindle». Для сохранения модели нажмем соот-
ветствующую кнопку «Сохранить», что приведет к созданию файла новой модели и
его автоматическому открытию в главном окне программы.
2 Формирование геометрической модели шпинделя
Особенности моделирования шпиндельных узлов с использованием автомати-
зированной системы «Autodesk Simulation Multiphysics» рассмотрим на примере
шпиндельного узла, расчетная схема которого представлена на рисунке 2. Здесь
L1- L7 обозначены осевые размеры шпинделя; D1- D7 – его диаметральные разме-
ры; Kr, Kp и Ka – параметры радиальной, осевой и угловой жесткости подшипни-
ков; M – масса приводного элемента. Числовые значения обозначенных параметров
для рассматриваемого примера приведены в таблице 1.
Рисунок 2 – Расчетная схема шпиндельного узла
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 1 – Параметры шпиндельного узла
L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7
Осевые
размеры, мм
45 40 65 60 80 165 80
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
Диаметральные
размеры, мм
115 63 30 95 80 60 45
Kr1, Kp1, Ka1, Kr2, Kp2, Ka2, Kr3,
Параметры Н/мкм Н/мкм Н⋅м/рад Н/мкм Н/мкм Н⋅м/рад Н/мкм
жесткости
870 230 330000 690 215 165000 230
Масса
7,5
M, кг
Наиболее простым подходом к построению модели приведенного на рисунке 2
шпиндельного узла является использование балочных конечных элементов. В этом
случае геометрическую модель шпинделя необходимо и достаточно представить в
виде набора связанных прямолинейных отрезков, длины которых соответствуют
длинам участков, выделенных на расчетной схеме шпиндельного узла. Для построе-
ния этих отрезков сначала создадим эскиз на одной из трех доступных координат-
ных плоскостей. В данном случае в качестве такой плоскости выберем горизонталь-
ную координатную плоскость XOY.
Для выбора плоскости в менеджере проекта (Browser) щелчком левой кнопки
мыши развернем пункт Planes, а затем выделим его подпункт Plane 1 < XY(+Z) >.
Чтобы создать эскиз на выделенной плоскости далее нажмем правую кнопку мыши
и щелчком левой кнопки мыши активируем пункт Sketch из появившегося контекст-
ного меню (рисунок 3).
После входа в режим эскизирования, о чем свидетельствует появившаяся на
экране координатная сетка, активируем вкладку Draw, доступную на ленте интер-
фейса, где перейдем к титульной секции Draw (рисунок 4).
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рисунок 3 – Создание эскиза
Рисунок 4 – Секция Draw одноименной вкладки ленты
Далее щелчком левой кнопки мыши запустим команду Line, предназначенную
для построения прямолинейных отрезков, набор которых должен представлять гео-
метрию шпинделя. Запуск команды приведет к появлению на экране диалогового
окна Define Geometry (рисунок 5).
Рисунок 5 – Диалоговое окно Define Geometry
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В этом окне, прежде всего, снимем флажок Use as Construction, определяющий
построение линий в качестве вспомогательной геометрии. Непосредственное по-
строение отрезков при помощи активного окна будем выполнять путем ввода коор-
динат концов каждого отрезка в соответствующие поля X, Y и Z, доступные в груп-
пе Vertex. Для первого отрезка его начальную точку совместим с началом коорди-
нат, для чего сразу можно нажать клавишу Enter, т.к. по умолчанию все три коорди-
наты равняются нулю. Следует заметить, что в рассматриваемом случае координата
Z всегда будет равна нулю независимо от значения, заданного в соответствующем
поле, поскольку построение выполняется на координатной плоскости XOY.
Ориентацию шпинделя примем вдоль оси X, поэтому для определения конеч-
ной точки первого отрезка введем в поле X: длину первого участка L1 расчетной
схемы (длина вводится в метрах, т.е. в данном примере нужно задать 0,045), а две
остальные координаты оставим равными нулю. После нажатия клавиши Enter будет
построен первый отрезок, который в силу заданного по умолчанию малого масшта-
ба на экране будет выглядеть как точка. Для увеличения изображения, не закрывая
текущего окна Define Geometry, активируем на ленте вкладку View, откуда запустим
команду Enclose (Fit All), доступную в секции Navigate (рисунок 6).
Рисунок 6 – Секция Navigate вкладки View
Эту же операцию можно выполнить и при помощи панели навигации (Naviga-
tion Bar) в правой части графической зоны (рисунок 7). Здесь для этого нужно ис-
пользовать команду Zoom (Fit All).
Рисунок 7 – Панель навигации (повернуто)
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Далее для наглядности включим отображение маркеров конечных точек от-
резка. Включение либо отключение этих маркеров производится кнопкой Endpoint
Vertices в секции Appearance на вкладке View ленты (рисунок 8).
Рисунок 8 – Секция Appearance вкладки View
После включения маркеров при помощи прокрутки колесика мыши немного
уменьшим полученное изображение и приступим к построению второго отрезка.
Для этого в текущем окне Define Geometry перейдем к группе компонентов Attrib-
utes, где в поле Part зададим номер отрезка равный 2, а затем установим флажок Use
Relative в группе Vertex. При установке данного флажка происходит переключение
на относительную систему координат, т.е. координаты каждой последующей точки
будут задаваться относительно координат предыдущей точки. Так как начальная
точка второго отрезка является конечной точкой первого отрезка, то для построения
второго отрезка достаточно задать только координаты его конечной точки. В соот-
ветствии с этим введем в поле DX длину участка L2 (0,04 м для рассматриваемого
примера) и нажмем клавишу Enter на клавиатуре.
Аналогичным способом построим еще пять отрезков (L3 – L7), не забывая ка-
ждый раз изменять номер отрезка в поле Part. После этого закроем окно Define Ge-
ometry соответствующей кнопкой в заголовке окна либо клавишей Escape. В резуль-
тате изображение модели на экране должно примерно соответствовать рисунку 9, а
в пункте Parts менеджера проекта должны появиться семь подпунктов Part 1 – Part 7.
Рисунок 9 – Результат построения отрезков
10
