Solidworks应力分析实例

位置
(-2.76726 mm, 170.927 mm, 24.5002 mm)
应力最大处出现在花键的中间位置，最小应力出现在靠近法兰盘处，具体如下 图所示
离合器花键轴-SimulationXpress Study-应力-Stress
图中及表中看出，
(Max-Stress )= 153.284MPa < 395MPa
电机轴应力在 8.75826e - 005 ~ 55.2144 MPa 范围内变化，最大应力值远小于屈
服应力 395MPa，满足其应力要求。
应变 0 ~ 0.0110655 mm 范围内变化，其最大应变在允许的范围内，故满足要求。 安全系数在 7.15 ~ 4,510,026 .50范围内变化，可知其系数较大可靠。
3、安全系数在 2.58 ~ 219,921,56 范围内变化，位置处于花键轴中间处，此安全
系数并不能完全可靠保证轴的安全，因此在加工时对工件要进行调质处理，还要 对花键轴表面渗碳淬火处理。调质处理是为了得到良好的切削性能和渗碳的目的 保证其韧性和高塑性。渗碳处理是提高钢表面的硬度和耐磨性而心部仍保持韧性 和高塑性，渗碳层深度随零件的具体尺寸及工作条件的要求而定，太薄易引起表 面疲劳剥落，太深则受不起冲击，渗碳层深度据以往经验，一般取 0.5~2.5mm， 渗碳层表面硬度不低于 60HRC，对于载荷大得轴类零件渗碳层深度选取 1.0~1.5。
螺栓联接受力分析
螺纹联接根据载荷性质不同，其失效形式也不同。受静载荷螺栓的失效形式 多为螺纹部分的塑性变形或螺栓被拉断；受变向载荷螺栓的失效形式多为螺栓的 疲劳断裂；对于受横向载荷的绞制孔用螺栓联接，其失效形式主要为螺栓杆被剪 断，螺栓杆或连接孔接触面被挤压破坏。
对于 10.9 级 M12 的普通螺栓，屈服强度 s 900 MPa ，拧紧力矩 T=120N.m。 为了增强螺纹连接的刚性、防松能力及防止受载螺栓的滑动，装配时需要预紧。 其拧紧扳手力矩 T 用于克服螺纹副的阻力矩 T1 及螺母与被连接件支撑面间的摩 擦力矩 T2，装配时可用力矩扳手法控制力矩。
0.22
粗加工表面
-
0.26-0.3
上表查得，一般加工表面在无润滑的情况下 K=0.2
则预紧力 F0
T K *d
120 0.2 12 103
N
5104 N
螺栓承受的最大工作载荷来源于发动机输出传递的转矩，最大转矩 850N.m；最
大工作载荷
Fa
850 8 35 103
N
3035.72N
螺栓的最大拉力 F F0 (C1 / C1 C2 )Fa 50000 N 0.3 3035 .72 N 50910 .716 N
电机轴-SimulationXpress Study-位移-Deformation
安全系数
电机轴-SimulationXpress Study-安全系数-Factor of Safety
Max-Factor of Safety = 4,510,026.50 Min-Factor of Safety = 7.15 由以上静力学有限元分析
螺栓的最大拉伸应力 b ，螺栓公称应力截面面积 As=113.1mm2
1
F As
=50910.716N/（113.1 10-6m2）=450.139MPa
剪切应力：
T WT
F0
tan(
v
)
d2 2
d13
0.51 225 .0695
MPa
16
其中 d1 =10.106mm， d2 =10.863mm
螺栓满足其预紧力的确定原则：拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的
屈服极限 s 的 80%。
离合器花键轴的转矩通过螺栓传递给电机轴，离合器花键轴最大转矩为
Tmax =850N.m，转换成对每个螺栓的剪切力
f
Tm a x 8r
8
850 35103
N
3035.72N
'
f r 2
3035.72 3.14 352
基于 Solidworks 软件的应力分析
Solidworks 中有限元分析插件 CosMos/Works 分析零件的静力学性能，得出 载荷分布情况，定性的分析极限载荷（这里指的是最大扭矩）下的应力，应变分 布及其安全性能。
其分析流程如下： 1、建立一个简化的分析模型； 2、指定材料、元素和截面； 3、加约束和载荷； 4、设定网格； 5、执行分析； 6、结果显示； 7、生成研究报告。
单位 N/m^2 NA N/m^2 kg/m^3 N/m^2 N/m^2 N/m^2 J/(kg.K)
约束信息
夹具装卡位置为下图表蓝色部分的 8 个螺栓孔
夹具名称
夹具图像
固定-2
实体:
夹具细节 8面
类型:
固定几何体
载荷信息由于电机轴受最大极限转矩为850N.m，换算成力为850/（20+25）×2
×103 =37778N
根据第四强度理论，螺栓在预紧状态下的计算应力:
ca
2 1
3 3
1.31
1.3 225.0695MPa 292.59MPa
强度条件：
ca
1.3F0
4
d12
292.59MPa 80% 900MPa
其中螺栓的屈服极限 s 900 MPa ；80% s 80% 900 MPa 720 MPa ，所以
20CrMnTi 用于制作渗碳零件，渗碳淬火后有良好的耐磨性和抗弯强度，有 较高的低温冲击韧性，切削加工性能良好，承受高速、中载或重载以及冲击和摩 擦的主要零件。
对于截面为 15 的样件，经过第一次淬火 880℃，第二次淬火 870℃，油冷； 在经过回火 200℃，水冷和空冷。得到的力学性能：抗拉强度 b 1080 MPa ，屈
夹具图像
夹具细节
固定-2
实体:
8面
类型:
固定几何体
由于电机轴受最大极限转矩为 1350N.m，换算成力为 1350/（20+25）×2×103 =60000N
载荷名称 力-1
装入图象
载荷细节 实体: 10 面
类型: 应用法向力
值: 60000 N
有限元网格划分
网格类型:
所用网格器: 自动过渡: 光滑表面: 雅可比检查: 单元大小: 公差: 品质: 单元数: 节数:
数值 2.07e+011 0.25 7.938e+010 7800 6.15e+008 1.5677e+008 3.95e+008 47
单位 N/m^2 NA N/m^2 kg/m^3 N/m^2 N/m^2 N/m^2 J/(kg.K)
载荷和夹具
夹具装卡位置为下图表蓝色部分的 8 个螺栓孔
夹具名称
N
/ mm2
0.789MPa
式中 r=35mm
由上计算分析可以得出 10.9 级 M12 的普通螺栓满足应力要求。
电机轴应力分析
通过简化建立一个 Solidworks 环 境下的三维电机轴，如右图所示 材料名称：20CrMnTi 默认失败准则：最大 von Mise 应力
属性名称 弹性模量 泊松比 抗剪模量 质量密度 张力强度 压缩强度 屈服强度 比热
离合器花键轴-SimulationXpress Study-位移-Displacement
变形
离合器花键轴-SimulationXpress Study-位移-Deformation
安全系数
离合器花键轴-SimulationXpress Study-安全系数-Factor of Safety
Max-Factor of Safety = 219,921,56，位置处于花键轴靠近法兰盘处。
载荷名称
装入图象
力-2
载荷细节 实体: 10 面 类型: 应用法向力
值: 37778 N
网格类型: 所用网格器: 自动过渡: 光滑表面: 雅可比检查: 单元大小: 公差: 品质: 单元数: 节数: 完成网格的时间(时;分;秒): 计算机名:
实体网格 标准网格 打开 打开 4 Points 2.5 mm 0.125 mm 高 178776 260537 00:00:16 LENOVO-PC
最大 55.2144 N/mm^2 (MPa)
位置 -27.8595mm, 29.6008 mm, 164.083 mm
电机轴-SimulationXpress Study-应力-Stress
图中及表中看出，静力学分析，花键最大应力 =55.2144 MPa<<395MPa= s 。
因此此电机轴远远满足其应力要求的。
服强度 s 835 MPa ，伸长率（式样的标距等于 5 倍直径时的伸长率）5 10% ，
断面收缩率 45% ，冲击韧度 AkU 55J / cm2 ，硬度 217HB。
对于截面尺寸小于等于 100 的样件，经过调质处理，力学性能：抗拉强度 b 615 MPa ，屈服强度 s 395 MPa ，伸长率5 17% ，断面收缩率 45% ， 冲击韧度 AkU 47J / cm2 。本分析还要使用到的参数：泊松比 0.25，抗剪模 量 G=7.938GPa，弹性模量 E=207GPa，密度 7.8103 N / m2 。
公式： T = T1 + T2 = K * F0 * d
拧紧扳手力矩 T=120N.m，其中 K 为拧紧力矩系数， F 0 为预紧力 N ，d 为螺
纹公称直径 12mm。
摩擦表面状态
K值
有润滑
无润滑
精加工表面
0.1
0.12
一般工表面
0.13-0.15
0.18-0.21
表面氧化
0.2
0.24
镀锌
0.18
分析对象
电机轴及啮合处的变速器输入轴，离合器花键轴及啮合处的离合器从动盘， 电机轴和离合器花键轴之间的联接螺栓（M12x40，10.9 级）。
材料
目前公司所用的变速器输入轴材料为 20CrMnTi，考虑其受力情况，材料不 一致，其强度就会不一样，容易导致强度差的失效，因此根据目前情况，电机轴 和离合器花键轴均选用 20CrMnTi。
有限元网格划分
经过有限元网格划分之后，对其应力进行定性的分析
名称
类型
Stress VON:von Mises 应力
最小
0.0017 9609 N/mm^ 2 (MPa)
位置 (0.003381 05 mm, 140.956 mm, -0.001082 79 mm)
最大
153.284 N/mm^2 (MPa)
位移
名称 Displacement
类型
最小
URES:合位移 0 mm
位置 -18.3487 mm, 24.7487 mm, 164 mm
最大 0.0110655 mm
位置 57.5619mm, 49.5787 mm, 58.1808 mm
Байду номын сангаас
变形
电机轴-SimulationXpress Study-位移-Displacement
Min-Factor of Safety = 2.58
由以上静力学有限元分析
1、花键轴应力在 0.00179609 ~ 153.284 MPa 范围内变化，最大应力值小于屈服
应力 395MPa，满足其应力要求。
2、应变 0 ~ 0.134707 mm 范围内变化，可知其应变在可接受范围内，采用渗碳
淬火处理增加轴的强度。
实体网格
标准网格 打开 打开 4 Points 2.5 mm 0.125 mm 高 628750 889774
网格划分
应力-Stress 分析
名称
Stres s
类型
最小
VON:von Mises 应 8.75826e-0
力
05 N/mm^2
(MPa)
位置 -3.93462 mm, 20.7394 mm, 201.125mm
离合器花键轴应力分析
通过简化建立一个 Solidworks 环境下的离合器花键轴三维图。
材料名称：20CrMnTi
默认失败准则：最大 von Mise 应力
属性名称 弹性模量 泊松比 抗剪模量 质量密度 张力强度 压缩强度 屈服强度 比热
数值 2.07e+011 0.25 7.938e+010 7800 6.15e+008 1.5677e+008 3.95e+008 47
因此此花键轴还是满足其应力要求的
位移
名称
类型
Displaceme URES:合位移 nt
最小 0 mm
位置 (24.7487 mm, 12 mm, 18.5487 mm)
最大
0.134707 mm
位置
(13.7839 mm, 252.115 mm, -35.1331 mm)
位移最大出现在花键离末端5.1331mm 处；最小位移靠近轴的起始端处。具体如 图