摘（zhāi）要：為實現滾動導軌副的快速分析，以完成高效設計，針對滾動導軌副的結構特征，提出一種基於ANSYS APDL參數化設計語言的滾動導軌副的有限元快速建模方案（àn）。根據滾動導軌副的結構（gòu）特（tè）征，采用從端（duān）麵到實體、端麵網（wǎng）格到實體網格的方法；針對構件特征，采用八節點六麵體單元solid185。該（gāi）建模方法（fǎ）在滾動導軌副齧合特性分析（xī）中（zhōng）的應用表明，所建滾動導軌（guǐ）副參數化有限元模（mó）型具有（yǒu）通用性強、可移植性好、單元劃分可控性好、網格易於（yú）調整等優點，可作為多種（zhǒng）分析類型的基礎模型。

   
      1. 緒論

      滾動直線導軌副以其精密（mì）的直線導向（xiàng）作用、高承載、高速度、高（gāo）精度、低磨損以（yǐ）及高剛（gāng）性等特點，廣（guǎng）泛應（yīng）用於各類數控裝備及自動（dòng）化（huà）生（shēng）產線等領域。特（tè）別是在裝備製造（zào）業上，滾動導軌副已成為（wéi）數控機床、自動化設備的關鍵元件，其性（xìng）能直接決定設備的好壞。隨著機（jī）床行業全麵向高精尖方向發展，這也對滾動導軌副的設計開發提出了更高的要求：不僅（jǐn）需要可以快速完成滾動導軌副的結構設計，同時更需（xū）要驗（yàn）證結構設計的合理性及是否可以達到設計目標。因此必須對其進行靜（jìng）力學、動力學性能分析，為滾（gǔn）動導軌副的性能優化設計提供重要依據。

     由於滾動（dòng）導軌副包含滑塊、導軌、返向器及多個滾動體，導致影響因素較多（duō）。用傳（chuán）統理（lǐ）論對其進行動、靜力學分析較為複雜及繁瑣，尤其是對其動力（lì）學方麵的研究更（gèng）為（wéi）困難。而基於有限元方法（FEM）的各種有限元軟件（ANSYS、NASTRAN等）則相對簡單（dān）的多，並（bìng）且（qiě）被國內外廣泛采用。而（ér）在有限元（yuán）分析過程（chéng）中，每次分析都需要大量的重複操作，同樣（yàng）影響到分析效（xiào）率。此外，通過UG、SOLIDWORKS、PROE等（děng）三維軟件建模並導入有限元軟件進行分析時，容易使模（mó）型受損（sǔn）、產（chǎn）生缺（quē）陷，這種情況在模（mó）型較複雜、構（gòu）件相對較（jiào）多時顯得尤為明顯。因此本（běn）文擬建立一種滾動導軌副的參數化有限元建模（mó）方法，希（xī）冀通過這一研究，為滾動導軌副的動、靜態等分析提供（gòng）一種（zhǒng）高效（xiào）參數化分（fèn）析方法。

     本文擬基（jī）於大型通用有限元軟件ANSYS，研究滾動導軌副的參數化建模方（fāng）法。根據（jù）ANSYS提供的參數化設（shè）計編程語言APDL，編製（zhì）滾動導軌（guǐ）副（fù）參數化建模程序。本文以南（nán）京（jīng）工藝（yì）GGB型滾動（dòng）導軌副為例，研究滾動導軌副的（de）參數化有（yǒu）限元建模方法以及實際應用。

     2. APDL參（cān）數化滾動導軌副

     基於ANSYS參（cān）數化設計語言（APDL）編寫的三維（wéi）有限元建模程序，隻需在程序中（zhōng）改變初始設計參數即可實現不同模型的快速創建，相比GUI（用戶（hù）界麵操作）方式，效率要高很多，故本文采用（yòng）APDL建立滾動導軌副的有限元模型。

    參數化建模首先需定義模型的（de）材（cái）料參數、單元類型等；其次是定義基本設計參數，基於這些參數建立（lì）模型。其（qí）中滾動導軌副材料采用GCr15軸承鋼，其（qí）彈性模（mó）量E=2.08×1011Pa，泊鬆比（bǐ）ν=0.3，密度ρ=7800kg/m3；建模實體單元使用八節點單元solid185。

                                     圖1 滾動導軌副結構組成
 

    滾動導軌副的結構主要包含導軌、滑塊、滾（gǔn）動體（tǐ）（鋼球）等，如圖1所示，建模時對各零件單獨建（jiàn）模。具體建模過程（chéng）如下圖2所示。

                                          圖（tú）2 滾道導（dǎo）軌副建模（mó）流程
 

     建模（mó）時，第一步是建立導軌端麵模型（xíng）。導軌副端麵輪廓（kuò）主要包含平麵、滾道截型、倒角等要素。其中滾道截型由圓弧構成,可通過CIRCLE命令得到。結合導軌幾何特征可知，其端麵對稱，故可先建立端麵的一半模型，再（zài）通（tōng）過ARSYM命（mìng）令將其徑向、合並相加可得導軌端麵模型（xíng），如下圖3所示。

                                   圖3 導（dǎo）軌端麵模（mó）型                 

                                           圖4 滑塊端麵模型（xíng）

     同樣（yàng）的方（fāng）法可得到滑塊端（duān）麵模型如圖4所示。

    進而由上述所建端（duān）麵模（mó）型分別進行拖拉生成導軌及滑塊實體模型，可通過命令VEXT實現。生成導軌及滑塊實體模型如圖5所示。

                                          圖5 導軌、滑塊實體模型
 

     在此基礎上，建立鋼球模型。為方便後續選擇、約束、加載的實現，通過LOCAL命令在導軌單側兩滾道的起始處建立局部坐標係（xì），並在此坐標係（xì）下建立鋼球模型。隨後將兩鋼球通過VSYMM命令鏡像複製，得到導軌另一側兩條滾道起始處的鋼球模型。隨後，將導軌兩側四條滾道起始處的四個鋼球按滑塊長度方向（xiàng）陣列複製。命令為：

     LOCAL,12,x1,y1,z1
     WPCSYS,12
     SPHERE,sr,,,,
     CM,Q1,VOLU
     VSYMM,X,Q1
     ALLSEL,ALL
     CMSEL,S,Q1,VOLU
     VGEN,(L/(2*sr)),ALL,,,,,2*sr
     ……

     得到鋼球模型如圖6所示：

     
                                        圖6 鋼球實體模型

     至此，可得到完整的滾動導軌副實體模型。在實體模型的基礎上，對其進行網格劃分（fèn）。其中，滑塊及導軌的網格劃分方式為通過MESH200麵單元（yuán）首先對其端（duān）麵劃分麵（miàn）網格，進而通過麵網格拖拉（lā）生成沿導軌長度規則分布的網格模型；鋼球網格采用均勻（yún）四麵體單元。可得到（dào）滾動導軌副網格模型如圖7所示。

                                  圖7 滾動導軌副有（yǒu）限元網格模型

     通過（guò）上述有限元參數化建模，即可針對不同的分析而對所建立的有限（xiàn）元模型施加約束條（tiáo）件、載荷、運（yùn）動參數等，在此基礎上（shàng）根據分析類型設置不同的求解選項（xiàng）、迭代參數等，從而進行（háng）不（bú）同的分析。

     3. APDL參數化有限元分析

                                                  表1  GGB型主要APDL結構參數

                                     圖8 滾動導軌副建模參數示意（yì）圖

     根據表1參數及圖8示意圖建立GGB型滾動導軌副有限元（yuán）模型，分析滾動導軌副（fù）流球孔位置（即d3）對其接觸特性的（de）影響。

                                    圖9 滾動導軌（guǐ）副接觸對單元

     設置好接觸參數以後，即（jí）可對模型施加約束及載荷條件。本文（wén）工況以導軌底麵固定為約束、滑塊頂麵（miàn）分布均布（bù）載荷。約束及載荷如圖10所示。

           
  
                                    圖10 滾動導軌副約束及載荷施加

     進而即可設（shè）置求解選（xuǎn）項，包括迭代參數、結果輸出形式（shì）、求解器的選擇等。求解得到表1參數下的GGB型（xíng）滾（gǔn）動導軌副最大應（yīng）力，如圖11所示。

                            圖11 工（gōng）況下GGB型滾動導軌副接觸應力雲圖

     在（zài）此基礎上，分別對（duì）流球孔位置d3分別（bié）改變不同位（wèi）置進行接觸分析，分析流球孔對滾（gǔn）動導軌副接觸特性的影響。經（jīng）分析並整理（lǐ）數據可得到流球孔位置（zhì）d3與最大接觸應力的關（guān）係圖如下圖12所示。

          
  
                                    圖12 最大應（yīng）力與流球孔位置的關係

     可見流球孔（kǒng）位置d3越大，最大（dà）接觸應力（lì）越小。

     4.結論

     本文（wén）給出了一（yī）種滾動導軌（guǐ）副參數化有限元（yuán）設計分析方法，結果表明：
 
     （1）本文參數化建模方法建立滾動導軌副有限元模型，隻需（xū）修改幾個建模基本參數，即可完成有限元建模，極大的提高了分（fèn）析設計效率，節省了大量重複工（gōng）作時間。
     （2）基於該方（fāng）法所建有限元模型，隻需要施加約束、載荷等工況條件，求解（jiě）選項，即可實現多（duō）種分析目的，包括（kuò）：靜力學（xué）分析、動力學（xué）分析、振（zhèn）動特性（模態）分析、拓撲結構優化等分析。
     （3）基於本文所述方法建立的GGB型滾（gǔn）動導軌副模型，其（qí）流球孔位置對其最大接觸應力（lì）有明顯的影響。