现代设计方法案例

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课程名称现代设计方法实践与案例

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指导教师

2015 年 1 月15 日

基于ABAQUS的联轴器有限元分析

摘要：本文介绍了一种CAE有限元分析软件ABAQUS，通过ABAQUS有限元分析软件对一种典型的机械零件——联轴器进行有限元模拟仿真，最后得到联轴器的静态模型分析，并总结了联轴器保护的合理化建议。

关键词：联轴器；ABAQUS ；静态模型

1. ABAQUS简介

ABAQUS 被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。 ABAQUS 不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分析和研究。ABAQUS的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无二的。由于 ABAQUS优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得 ABAQUS 被各国的工业和研究中所广泛的采用。 ABAQUS 产品在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用。

真实世界的仿真是非线性的,ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料。ABAQUS为用户提供了广泛的功能，且使用起来又非常简单。包括高度非线性问题，用户只需提供一些工程数据，像结构的几何形状、材料性质、边界条件及载荷工况，就可以得到结果。

2.联轴器ABAQUS静态模型分析

2.1联轴器功能基础

联轴器是用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和

提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。其主要损坏形式是以振动和冲击造成的磨损和疲劳变形等。下文则针对联轴器利用ABAQUS软件进行了静力模型分析。

2.2联轴器ABAQUS分析过程

一个完整的ABAQUS有限元分析过程包括三个步骤：前处理、分析计算和后处理。具体针对联轴器的模态分析的步骤可分为：建模、选择分析步类型、施加约束载荷、划分网格、求解。图1为ABAQUS的操作界面，下面就针对这5个步骤进行详解说明。

图1 ABAQUS操作界面图

2.2.1几何模型的创建

有限元分析中，几何模型是各种物理信息的载体，创建几何模型是有限元分析必不可少的一步。ABAQUS CAE模型由若干个部件构成，我们可以在部件模块中创建和修改各个部件，也可以从其他CAD软件中导入部件模型，还可以使用输入文件或者python脚本语言来创建部件。联轴器的几何模型创建跟其他CAD软件创建相同，可以在ABAQUS“部件”中创建，也可以由其他三维软件画好后导入。其几何模型创建图如上图1。

2.2.2 材料模型

ABAQUS提供了丰富的材料模型，包括材料的本构关系和失效准则等，仅橡胶材料模型就有16种。除了常规的金属弹塑性材料外，还可以有效的模拟高分子材料、复合材料、土体、岩石和高温蠕动变形材料等特殊材料。ABAQUS还提供灵活强大的用户自定义接口，用户可以使用Fortran语言来开发自己的材料模型。联轴器的材料模型选为力学弹性模量材料类型。密度7800kg/m3,弹性模量为206GPa，泊松比为0.3。图2为材料属性赋值界面。

图2材料属性赋值

2.2.3 ABAQUS装配功能

ABAQUS的分析对象是装配体而不是部件，所以，在几何模型创建的部件组装成一个装配体。ABAQUS中的每个部件都存在于自己的局部坐标系中，在模型中相互独立。我们可以使用Assembly模块生成部件的实例，并且在整体坐标系中把各部件的实例相互定位，从而生成一个完整的装配体。联轴器的装配过程图3，在此过程中，将联轴器定位，限制自由度，使得联轴器只能绕着Z轴方向做旋转运动。

图3联轴器装配图

2.2.4分析步

分析步功能模块中，用户可以定义一系列分析步、设定自适应网格、控制求解过程、改变或创建输出数据，以及设置诊断输出、重启动要求等。在实际分析过程中，由于物理过程中的载荷和边界条件是随着时间或者状态的改变而改变，进行有限元模拟时可以根据实际情况把整个物理过程划分成若干时间段，分别为每个时间段指定载荷和边界条件，这样一个时间段就是一个分析步。图4为联轴器分析步过程界面。

图4 联轴器边界载荷分布图

2.2.5网格划分

网格功能模块主要可以实现以下功能：布置种子控制网格密度、控制单元形状、划分网格、检验网格质量、编辑修改网格等。网格划分是有限元分析过程及其重要的一步，特别是对几何形状比较复杂的模型，网格划分质量的好坏直接影响到求解精度和求解时间，有时不合理的网格划分甚至会导致求解过程的中

断，所以划分网格应该是分析过程中一个需要重点注意的环节。本分析中，使用

整体3D应力四面体单元，近似全局尺寸为0.005，曲率控制最大偏离因子为

0.05分析截图如5。

图5网格划分

2.2.6作业管理

在作业模块中，可以创建、编辑、提交分析作业，生成INP文件，监控作

业运行状态等，对于联轴器来说，当其振动频率达到固有频率时，其振动幅度远

远超过其允许的位移量，这将直接导致破坏。图6为联轴器损坏过程图。

A B C D

图6 联轴器损坏过程图

由最后的结果视图，我们可以知道联轴器变形后，各个点的应力大小和变形

情况。根据之前的划分四面体网格中，取出若干四面体，再对这些具体的四面体进行变形，受力等再分析。

图7 联轴器作业状态图

总结上面六个分析过程中，对联轴器结构进行模态分析，分析各阶段频率和振型，可以在实际应用中有效的避免使联轴器长期处于共振频率下工作，从而避免结构的破坏。

3.总结与展望

上述联轴器是利用ABAQUS平台下进行的。结果表明，采用ABAQUS处理加工成型过程中所涉及到的非线性力学问题，能够得到比较令人满意的结果。此外，ABAQUS还提供了种类丰富的用户子程序接口，用户可以根据需要编写特殊的本构关系曲线、复杂的载荷和边界条件以及灵活多样的用户单元等，这些功能目前在研究领域和工业领域中都取得了广泛地应用。通过一个简单联轴器模型实例来对ABAQUS软件有更深透的学习和了解，从而达到熟练掌握的目的。