摘要：为实现滚动导轨副的快速分析，以完成高效设计，针对滚动导轨副的结构特征，提出一种基于ANSYS APDL参数化设计语言的滚动导轨副的有限元快速建模方案。根据滚动导轨副的结构特征，采用从端面到实体、端面网格到实体网格的方法；针对构件特征，采用八节点六面体单元solid185。该建模方法在滚动导轨副啮合特性分析中的应用表明，所建滚动导轨副参数化有限元模型具有通用性强、可移植性好、单元划分可控性好、网格易于调整等优点，可作为多种分析类型的基础模型。

   
      1. 绪论

      滚动直线导轨副以其精密的直线导向作用、高承载、高速度、高精度、低磨损以及高刚性等特点，广泛应用于各类数控装备及自动化生产线等领域。特别是在装备制造业上，滚动导轨副已成为数控机床、自动化设备的关键元件，其性能直接决定设备的好坏。随着机床行业全面向高精尖方向发展，这也对滚动导轨副的设计开发提出了更高的要求：不仅需要可以快速完成滚动导轨副的结构设计，同时更需要验证结构设计的合理性及是否可以达到设计目标。因此必须对其进行静力学、动力学性能分析，为滚动导轨副的性能优化设计提供重要依据。

     由于滚动导轨副包含滑块、导轨、返向器及多个滚动体，导致影响因素较多。用传统理论对其进行动、静力学分析较为复杂及繁琐，尤其是对其动力学方面的研究更为困难。而基于有限元方法（FEM）的各种有限元软件（ANSYS、NASTRAN等）则相对简单的多，并且被国内外广泛采用。而在有限元分析过程中，每次分析都需要大量的重复操作，同样影响到分析效率。此外，通过UG、SOLIDWORKS、PROE等三维软件建模并导入有限元软件进行分析时，容易使模型受损、产生缺陷，这种情况在模型较复杂、构件相对较多时显得尤为明显。因此本文拟建立一种滚动导轨副的参数化有限元建模方法，希冀通过这一研究，为滚动导轨副的动、静态等分析提供一种高效参数化分析方法。

     本文拟基于大型通用有限元软件ANSYS，研究滚动导轨副的参数化建模方法。根据ANSYS提供的参数化设计编程语言APDL，编制滚动导轨副参数化建模程序。本文以南京工艺GGB型滚动导轨副为例，研究滚动导轨副的参数化有限元建模方法以及实际应用。

     2. APDL参数化滚动导轨副

     基于ANSYS参数化设计语言（APDL）编写的三维有限元建模程序，只需在程序中改变初始设计参数即可实现不同模型的快速创建，相比GUI（用户界面操作）方式，效率要高很多，故本文采用APDL建立滚动导轨副的有限元模型。

    参数化建模首先需定义模型的材料参数、单元类型等；其次是定义基本设计参数，基于这些参数建立模型。其中滚动导轨副材料采用GCr15轴承钢，其弹性模量E=2.08×1011Pa，泊松比ν=0.3，密度ρ=7800kg/m3；建模实体单元使用八节点单元solid185。

                                     图1 滚动导轨副结构组成
 

    滚动导轨副的结构主要包含导轨、滑块、滚动体（钢球）等，如图1所示，建模时对各零件单独建模。具体建模过程如下图2所示。

                                          图2 滚道导轨副建模流程
 

     建模时，第一步是建立导轨端面模型。导轨副端面轮廓主要包含平面、滚道截型、倒角等要素。其中滚道截型由圆弧构成,可通过CIRCLE命令得到。结合导轨几何特征可知，其端面对称，故可先建立端面的一半模型，再通过ARSYM命令将其径向、合并相加可得导轨端面模型，如下图3所示。

                                   图3 导轨端面模型                 

                                           图4 滑块端面模型

     同样的方法可得到滑块端面模型如图4所示。

    进而由上述所建端面模型分别进行拖拉生成导轨及滑块实体模型，可通过命令VEXT实现。生成导轨及滑块实体模型如图5所示。

                                          图5 导轨、滑块实体模型
 

     在此基础上，建立钢球模型。为方便后续选择、约束、加载的实现，通过LOCAL命令在导轨单侧两滚道的起始处建立局部坐标系，并在此坐标系下建立钢球模型。随后将两钢球通过VSYMM命令镜像复制，得到导轨另一侧两条滚道起始处的钢球模型。随后，将导轨两侧四条滚道起始处的四个钢球按滑块长度方向阵列复制。命令为：

     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
     ……

     得到钢球模型如图6所示：

     
                                        图6 钢球实体模型

     至此，可得到完整的滚动导轨副实体模型。在实体模型的基础上，对其进行网格划分。其中，滑块及导轨的网格划分方式为通过MESH200面单元首先对其端面划分面网格，进而通过面网格拖拉生成沿导轨长度规则分布的网格模型；钢球网格采用均匀四面体单元。可得到滚动导轨副网格模型如图7所示。

                                  图7 滚动导轨副有限元网格模型

     通过上述有限元参数化建模，即可针对不同的分析而对所建立的有限元模型施加约束条件、载荷、运动参数等，在此基础上根据分析类型设置不同的求解选项、迭代参数等，从而进行不同的分析。

     3. APDL参数化有限元分析

                                                  表1  GGB型主要APDL结构参数

                                     图8 滚动导轨副建模参数示意图

     根据表1参数及图8示意图建立GGB型滚动导轨副有限元模型，分析滚动导轨副流球孔位置（即d3）对其接触特性的影响。

                                    图9 滚动导轨副接触对单元

     设置好接触参数以后，即可对模型施加约束及载荷条件。本文工况以导轨底面固定为约束、滑块顶面分布均布载荷。约束及载荷如图10所示。

           
  
                                    图10 滚动导轨副约束及载荷施加

     进而即可设置求解选项，包括迭代参数、结果输出形式、求解器的选择等。求解得到表1参数下的GGB型滚动导轨副最大应力，如图11所示。

                            图11 工况下GGB型滚动导轨副接触应力云图

     在此基础上，分别对流球孔位置d3分别改变不同位置进行接触分析，分析流球孔对滚动导轨副接触特性的影响。经分析并整理数据可得到流球孔位置d3与最大接触应力的关系图如下图12所示。

          
  
                                    图12 最大应力与流球孔位置的关系

     可见流球孔位置d3越大，最大接触应力越小。

     4.结论

     本文给出了一种滚动导轨副参数化有限元设计分析方法，结果表明：
 
     （1）本文参数化建模方法建立滚动导轨副有限元模型，只需修改几个建模基本参数，即可完成有限元建模，极大的提高了分析设计效率，节省了大量重复工作时间。
     （2）基于该方法所建有限元模型，只需要施加约束、载荷等工况条件，求解选项，即可实现多种分析目的，包括：静力学分析、动力学分析、振动特性（模态）分析、拓扑结构优化等分析。
     （3）基于本文所述方法建立的GGB型滚动导轨副模型，其流球孔位置对其最大接触应力有明显的影响。