基于ANSYS的轴类零件元静力学分析

基于ANSYS 的轴类零件有限元静力学分析

马超

（山东科技大学 交通学院，车辆工程2011-1）

前言

轴向受弯扭的杆件在工程中的应用非常广泛。齿轮减速器中的齿轮轴承受扭矩的作用，如果扭矩过大，或者轴过于细长，则有可能突然变弯，发生稳定失效。

有限元法是利用电子计算机进行数值模拟分析的方法。ANSYS 软件作为一款功能强大、应用广泛的有限元分析软件，不仅具备几何建模的模块，而且也支持其他主流三维建模软件接口，目前在工程技术领域中的应用十分广泛，其有限元计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。文章在基于有限元分析软件ANSYS 的基础上对轴的承载特性进行了分析。

摘要：介绍应用ANSYS 软件分析轴类零件在扭转载荷压力作用下发生形变量和应力分布的情况。

关键词：载荷；轴；ANSYS

一 问题分析求解

下图为一轴类零件结构示意图。该零件在两个滚动轴承处受到轴向和径向约束，左侧键槽侧面受到6000N 的均布载荷，右侧键槽侧面受3000N 的均布载荷。模型材料为钢材料，弹性模量为a MP 11102 ，泊松比为0.3。作出等效应力图和变形图，并进行强度分析。

二轴有限元模型

2.1建立轴零件有限元模型

轴为左右对称结构。在Siemens UG NX8.5中建立该轴三维模型，通过接口导入ANSYS中。

该载荷轴采用Tet 10node 187单元。此单元是一个高阶3维20节点固体结构单元，每个节点有3个沿x、y和z方向平移的自由度，具有二次位移模式，主要适用于位移、变形等方面。如果要求精度高，可较好地剖分；如果要求精度不高，由于单元本身是高阶单元，使用稍微弱一点的网格也可行，能够用于不规则形状，且不会在精度上有任何损失。

2.2网格划分

网格划分的过程就是结构离散化的过程，通常轴模型划分的单元越多越密集，就越能反映实际结构状况，计算精度越高，计算工作量越大，计算时间增长。由于轴结构属于局部不规则几何体，因此采用自动划分法进行网格划分。该划分方法能够在规则与不规则几何体之间自动切换，将单元尺寸设置为SIZE=7，得到轴承座有限元模型的总节点数为73891，总单元数为51808，如下图所示。

2.3载荷分析

根据该阶梯轴的受力特点，以载荷的形式施加到模型上，在该零件两个滚动

轴承处施加轴向和径向的位移约束，左侧键槽侧面施加6000N 的均布载荷，右侧键槽相对侧面施加3000N 的均布载荷，并观察该轴在约束与载荷作用下的应力与变形情况。

三 计算结果分析

3.1 等效应力分析

零件受载后的等效应力图如下。从下图中可以看出，键槽受载侧面和轴的退刀槽及台阶处所受应力较大，该轴所受的最小应力为12.0553MPa ，最大应力为23163.3MPa ，故满足设计的强度要求。

3.2 弹性变形分析

轴在载荷的作用下产生的变形结果如下图。

从结论可以看出，变形最明显处发生在退刀槽和左侧键槽受载侧面处。轴的弹性形变量较小，最大形变量为m 5-10484.0 ，能够保证其在给定载荷的情况下正常工作。

通过应力与应变分析可知，轴的有限元模型的建立、分析结果是客观的，较为真实的反映了轴在受载荷的作用下的承载特性，且满足设计要求。

结论

综上所述，本文运用力学分析方法，应用ANSYS软件对轴模型进行有限元分析，了解其结构的应力场分布，通过仿真其工作状态，在设计阶段就可以得到轴的弹性变形量和应力分布情况，从而对轴进行承载能力研究，为保证工程设计质量及对现场设备的使用情况具有一定得指导意义。

参考文献：

[1]机械设计手册.机械工业出版社，2000.6.

[2]王国军，李栓成.车辆结构有限元分析.北京：机械工业出版社，2013.10.

[3]王勋成.有限元基本原理与数值方法.北京：清华大学出版社，1997.