复杂载荷作用下的传动轴结构强度分析与优化设计

现代设计技术

2016-06-20

目录

1 问题描述 (2)

1.1 CAD模型简述 (2)

1.2 模型受力情况分析 (2)

2 有限元模型的建立 (3)

2.1 单元类型的选择及依据 (3)

2.2 模型材料属性 (4)

2.3 模型前处理 (5)

2.4 模型网格划分 (6)

2.5 建立刚性区域 (7)

3 有限元模型的加载 (9)

3.1 模拟轴承约束的施加 (9)

3.2 模型施加径向载荷 (9)

4 传动轴的优化设计 (11)

5课程总结 (16)

复杂载荷作用下的传动轴结构强度分析与优化设计1 问题描述

1.1 CAD模型简述

作为机械传动中的常见部件，传动轴通过连接键连接左右传动齿轮。由于齿轮啮合作用力效果，传动轴往往受到弯扭组合变形作用，受力情况复杂。传统的材料力学知识对于上述复杂载荷作用下的传动轴结构强度分析很困难，相对于轴上的键槽、轴肩等辅助定位和安装的微细结构都无法考虑，这就需要借助有限元软件对上述结构及相关细节进行进一步的强度分析。传动轴模型CAD示意图如图1所示，相关尺寸如图2所示。

图1传动轴三维模型

传动轴总体长度427mm，各细节尺寸如图2所示。

图2传动轴尺寸示意图

1.2 模型受力情况分析

传动轴两端键槽通过连接键与传动齿轮连接，这里大键槽受径向力作用，作用力大小2KN，小键槽受径向力作用，作用力大小3KN，作用在两端的转矩大小为为2KN/m。

2 有限元模型的建立

通过import命令导入上述传动轴模型文件，导入模型如图3所示。

图3导入模型示意图

2.1 单元类型的选择及依据

由于这里的传动轴属于三维实体模型，故需要采用三维单元类型对模型进行定义。SOLID 186单元是一个高阶3维20节点固体结构单元，SOLID 186具有二次位移模式可以更好的模拟不规则模型，尤其针对传动轴的键槽、轴肩等特征。该单元通过20个节点来定义，每个节点有3个沿着xyz三个方向平移的自由度，并具有任意的空间各向异性，支撑塑性，超弹性，蠕变，应力钢化，大变形，大应变能力。

图 4 SOLID186单元示意图

图5选择SOLID186单元

2.2 模型材料属性

该阶梯轴采用40Cr材料，材料参数：弹性模量，泊松比0.3。

图6模型材料定义

2.3 模型前处理

为给模型施加扭矩，需要在键槽端面中心建立节点，通过定义mass21 cering命令跟其他受力节点耦合，从而形成刚性区域。扭矩作用施加在该节点上。

图7定义质量点单元

为模拟轴承对传动轴的支撑约束作用，通过在X方向平移0.16m,0.12m平面对传动轴进行切割操作，切出一个环状结构。

图8轴承部位模型处理

2.4 模型网格划分

设定网格划分属性如图9所示，设定网格划分为自由网格划分，并利用四面体单元对其进行划分。

图9网格划分属性设置

最终得到模型网格划分情况如图10所示。

图10网格划分情况

最终得到传动轴单元节点数目为67259，模型单元数44504。

2.5 建立刚性区域

对传动轴端面建立刚性区域，如图11。

图11耦合区域节点示意图

图12耦合区域示意图

图13耦合区域示意图

3 有限元模型的加载

3.1 模拟轴承约束的施加

限制轴承作用区域YZ方向载荷，约束情况如图14。

图14约束模型上述区域YZ方向位移

3.2 模型施加径向载荷

为键槽节点施加径向力，力大小分别为2KN（大键槽），3KN （小键槽）。施加效果如图16所示。

图15为传动轴键槽施加径向载荷

图16键槽载荷施加情况

各面载荷约束情况如图17所示。

图17面载荷施加情况

4 传动轴的优化设计

通过ANSYS后处理模块查看模型变形情况如图18所示。

图18传动轴整体变形情况

可以看出，传动轴最大变形量为9.34429mm，作用在传动轴大键槽一段，即扭矩作用端。由于轴承作用效果，轴承作用处传动轴变形量为0。

通过ANSYS后处理模块查看模型应力分布情况如图19所示。

图19传动轴等效应力分布云图

从图中可以看出，模型应力主要分布在键槽及传动轴大键槽

端，最大应力为6.58MPa，小于40Cr材料许用应力211MPa（许用应力：机械设计或工程结构设计中允许零件或构件承受的最大应力值。要判定零件或构件受载后的工作应力过高或过低，需要预先确定一个衡量的标准，这个标准就是许用应力。凡是零件或构件中的工作应力不超过许用应力时，这个零件或构件在运转中是安全的，否则就是不安全的。许用应力是机械设计和工程结构设计中的基本数据。在实际应用中，许用应力值一般由国家工程主管部门根据安全和经济的原则，按材料的强度、载荷、环境情况、加工质量、计算精确度和零件或构件的重要性等加以规定。许用应力等于考虑各种影响因素后经适当修正的材料的失效应力除以安全系数。）满足材料强度要求。

变形量最大节点如图20所示。

图20变形量最大节点

等效应力最大节点如图21所示。

图21等效应力最值节点

为了验证上述解的网格无关性，首先在上述网格密度下进行计算，然后对计算结果做误差判断，在误差超过设定误差的情况下，对网格进行进一步细化，按照细分后的网格对结构进行重新运算，并重复误差判断过程，最终得到满足误差精度的网格无关解。

有限元计算的误差主要来自两个方面：数值计算中发生的舍入误差和网格剖分引起的离散化误差。有限元计算基于对结构整体的离散化处理，所以计算结果与结构网格数量有密切关系，随着网格单元和节点数量的增加，计算结果与理论结果越来越贴近。当单元数趋于无穷时，有限元的数值解就容易趋向于真实解，当然，实际上单元数、节点数越多，计算规模也就越大。