基于ANSYS的传动轴有限元分析
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ｌ＿７ 进 入 后 处 理 器
收 稿 日期 ：２０１６ ０８—０９； 修 订 日期 ：２０１７—０１—０８ 作 者 简 介 ：丁 新 兵 （１９９０一），男 。山 东 济 南 人 ，在 读 硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 ：机 械设 计 及 理 论 。
２Ｏ１ ７年 第 ２期
丁新 兵 ：基 于 ＡＮＳＹＳ的传 动轴 有 限 元 分 析
选 择 Ｍａｉｎ／ｐｒｅｆｅｒｅｎｃｅ，在 弹 出的对话 框 中选 取结 构分析 ，即 ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ。
１．３ 选取 和 定义 单元类 型 选 择 Ｍａｉｎ ｍｅｎｕ／ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ／ｅｌｅｍｅｎｔ ｔｙｐｅ／ａｄｄ
ｏｒ ｅｄｉｔ ｏｒ ｄｅｌｅｔｅ命 令 ，弹 出 ｅｌｅｍｅｎｔ ｔｙｐｅｓ对 话 框 ，选 择单 元 类 型 为 ：ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｏｌｉｄｎｂｒｉｃｋ ８ ｎｏｄｅ ｌ８５。 Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｔｙｐｅｓ对话框 如 图 ２所 示 。 １．４ 定义材料 性 能参数
图 １ 阶 梯 轴 的 三 维 模 型 图 ２ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｔｙｐｅｓ对 话 框
最后选 择 ｍａｔｅｒｉａｌ／ｅｘｉｔ退 出材料参 数定 义 。 １．５ 划 分 网格
实体建 模最 终 的 目的是 划分 网格 以生成 节点 和单 元 ，所 以生 成节 点和单 元 的网格 划分 又分 为两个 步骤 ： ①定 义单元 属性 ；②定 义 网格 ，进 行 网格 的划 分 。选择 ｍａｉｎ ｍｅｎｕ／ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ／ｍｅｓｈｉｎｇ／ ｍｅｓｈｔｏｏｌ弹 出 的 是 ｍｅｓｈｔｏｏｌ对话框 ，网格划 分对话 框 如 图 ５所 示 。图 ６为轴 网格划 分后 示意 图 。 １．６ 求 解 与 加 载
首先利 用 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建 立 阶 梯 轴 的 三维 实体 模 型 ，之后 将模 型转 化 为 ＡＮＳＹＳ可 以读 取 的格 式 ，即保 存 为 ＊．ｘ—ｔ类 型 的文件 。
１．１ 启 动 ＡＮＳＹＳ
将 由 ＳｏｌｉｄＷ ｏｒｋｓ建 立 的 简 化 的 阶 梯 轴 三 维 模 型 运 用 ＡＮＳＹＳ软 件 的接 口导入 ，如 图 １所示 。 １．２ 建 立 结 构 分 析 的 模 式
由此 说 明 了 ＡＮＳＹＳ在 工 程 机 械 设 计 中 的 重要 性 。
关 键 词 ：ＡＮＳＹ．７：ＴＨ１３３．２
文 献 标 识 码 ：Ａ
０ 引 言 轴是 组成 机械 的 重要 零 件 之 一 ，而 阶梯 轴 是 最 常
用 的轴类 形式 ，对它 的设计 研 究 是 机 械 设计 中必 不 可 少 的重要 组 成 部 分 。ＡＮＳＹＳ是 一 个 功 能 强 大 、通 用 性 很 强 的 有 限 元 分 析 软 件 ，本 文 利 用 ＡＮＳＹＳ 的 ＡＰＤＩ 参数 化设 计语 言 ，选 用 ＡＮＳＹＳ 自带 的优 化 工 具完 成 阶梯轴 的优 化 ，使 阶梯 轴结 构重量 最轻 ，并具 有 良好 的 强度性 能 。 １ 传动 轴有 限元 分析
采用 的材 料为 ４５钢 。定 义 材料 性 能 参 数 的 过程
如 下 ：选 择 ｍａｉｎ／ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ／ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｐｓ／ｍａｔｅｒｉａｌ ｍｏｄｅｓ弹 出定 义材 料性 能的 对话框 ，如 图 ３所 示 ．点 击 ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ／ｌｉｎｅｒ／ｅｌａｓｔｉｃ／ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ，在 对 话 框 中 输 入 ＥＸ：２．０５Ｅ５，ＰＲＸＹ：０．３。在 ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ下单 击 ｄｅｎｓｉｔｙ 弹 出定 义 材料 密度 对 话 框 ，在 ＤＥＮＳ输 入 ７．８５ｅ９，如 图 ４所 示 。
本文 分析 的轴 的材料 为 ４５钢 ，可 以从 材料 手册 中 查得 其 密度为 ７ ８５０ ｋｇ／ｍａ，弹性 模量 为 ２０５ ＧＰａ，泊松 比为 ０．３。由电动 机输 出的额 定转 矩为 ５１６．３６ Ｎ ·ｍ， 可 以计算 得到 轴 的等效 力矩 为 ４６ ９４１ Ｎ ·ｍ。
本 次对 传动轴 进行 的有 限元 分析 主要包 括 阶梯 轴 的建模 、有 限元分 析 和强度 校核 。
· ９７ ·
选 择 ｍａｉｎ ｍｅｎｕ／ｇｅｎｅｒａｌ ｐｏｓｔｐｒｏｃｅｓｓｏｒ／ ｐｌｏｔ ｒｅｓｕｌｔｓ，／ｄｅｆｏｒｍｅｄ ｓｈａｐｅ命 令 ，弹 出 ｐｌｏｔ ｄｅｆｏｒｍｅｄ ｓｈａｐｅ对 活框 ，选择 ｄｅｆ ｑ－ｕｎｄｅｒ ｅｄｇｅ按 针ｆ，点 击 ｏｋ按 钮 确 认 ，得 到 轴 变 形 图 ，如 １０所 示 。
丁新 兵
（山东 建 筑 大 学 机 电工 程 学 院 ， 山东 济 南 ２５０１０１）
摘 要 ： 以阶 梯 传 动 轴 为 例 ，通 过 三 维 制 图 软 件 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建 模 ， 然 后 将 其 导 入 ＡＮＳＹＳ对 其 进 行 分 析 ，在
ＡＮＳＹＳ 中添 加 约 束 与 载 荷 ，来 模 拟 实 际 工 作 中传 动 轴 的 载 荷 分 布 情 况 。通 过分 析发 现 此 轴 不 满足 强度 要 求 ，
第 ２期 （总 第 ２０１期 ） ２０１７年 ４月
机 械 工 程 与 自 动 化 Ｍ ＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧｌＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴ（）Ｍ ＡＴ１０Ｎ
文章 编 号 ：１６７２－６４１３（２０１ ７）０２—０９６－０２
Ｎｏ．２ Ａ ｐｒ．
基 于 ＡＮＳＹＳ的传 动 轴有 限元分 析
选 择 求 解 与 加 载 ｍａｉｎ ｍｅｎｕ／ｓｏｌｕｔｉｏｎ／ｄｅｆｉｎｅ— ｌｏａｄ／ａｐｐｌｙ／ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ／ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ／ｏｎ ａｒｅａｓ，如 图 ７ 所 示 。
轴 的 固定 约束类 型 如 图 ８所示 。 进 入求解 。选 择 菜 单 的路 径方 法 是 ｍａｉｎ ｍｅｎｕ／ ｓｏｌｕｔｉｏｎｇ／ｓｏｌｖｅ／ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉ Ｓ，弹 出 ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｓ ｄｏｎｅ表 示求 解成 功 ，如 图 ９所 示 。
收 稿 日期 ：２０１６ ０８—０９； 修 订 日期 ：２０１７—０１—０８ 作 者 简 介 ：丁 新 兵 （１９９０一），男 。山 东 济 南 人 ，在 读 硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 ：机 械设 计 及 理 论 。
２Ｏ１ ７年 第 ２期
丁新 兵 ：基 于 ＡＮＳＹＳ的传 动轴 有 限 元 分 析
选 择 Ｍａｉｎ／ｐｒｅｆｅｒｅｎｃｅ，在 弹 出的对话 框 中选 取结 构分析 ，即 ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ。
１．３ 选取 和 定义 单元类 型 选 择 Ｍａｉｎ ｍｅｎｕ／ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ／ｅｌｅｍｅｎｔ ｔｙｐｅ／ａｄｄ
ｏｒ ｅｄｉｔ ｏｒ ｄｅｌｅｔｅ命 令 ，弹 出 ｅｌｅｍｅｎｔ ｔｙｐｅｓ对 话 框 ，选 择单 元 类 型 为 ：ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｏｌｉｄｎｂｒｉｃｋ ８ ｎｏｄｅ ｌ８５。 Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｔｙｐｅｓ对话框 如 图 ２所 示 。 １．４ 定义材料 性 能参数
图 １ 阶 梯 轴 的 三 维 模 型 图 ２ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｔｙｐｅｓ对 话 框
最后选 择 ｍａｔｅｒｉａｌ／ｅｘｉｔ退 出材料参 数定 义 。 １．５ 划 分 网格
实体建 模最 终 的 目的是 划分 网格 以生成 节点 和单 元 ，所 以生 成节 点和单 元 的网格 划分 又分 为两个 步骤 ： ①定 义单元 属性 ；②定 义 网格 ，进 行 网格 的划 分 。选择 ｍａｉｎ ｍｅｎｕ／ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ／ｍｅｓｈｉｎｇ／ ｍｅｓｈｔｏｏｌ弹 出 的 是 ｍｅｓｈｔｏｏｌ对话框 ，网格划 分对话 框 如 图 ５所 示 。图 ６为轴 网格划 分后 示意 图 。 １．６ 求 解 与 加 载
首先利 用 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建 立 阶 梯 轴 的 三维 实体 模 型 ，之后 将模 型转 化 为 ＡＮＳＹＳ可 以读 取 的格 式 ，即保 存 为 ＊．ｘ—ｔ类 型 的文件 。
１．１ 启 动 ＡＮＳＹＳ
将 由 ＳｏｌｉｄＷ ｏｒｋｓ建 立 的 简 化 的 阶 梯 轴 三 维 模 型 运 用 ＡＮＳＹＳ软 件 的接 口导入 ，如 图 １所示 。 １．２ 建 立 结 构 分 析 的 模 式
由此 说 明 了 ＡＮＳＹＳ在 工 程 机 械 设 计 中 的 重要 性 。
关 键 词 ：ＡＮＳＹ．７：ＴＨ１３３．２
文 献 标 识 码 ：Ａ
０ 引 言 轴是 组成 机械 的 重要 零 件 之 一 ，而 阶梯 轴 是 最 常
用 的轴类 形式 ，对它 的设计 研 究 是 机 械 设计 中必 不 可 少 的重要 组 成 部 分 。ＡＮＳＹＳ是 一 个 功 能 强 大 、通 用 性 很 强 的 有 限 元 分 析 软 件 ，本 文 利 用 ＡＮＳＹＳ 的 ＡＰＤＩ 参数 化设 计语 言 ，选 用 ＡＮＳＹＳ 自带 的优 化 工 具完 成 阶梯轴 的优 化 ，使 阶梯 轴结 构重量 最轻 ，并具 有 良好 的 强度性 能 。 １ 传动 轴有 限元 分析
采用 的材 料为 ４５钢 。定 义 材料 性 能 参 数 的 过程
如 下 ：选 择 ｍａｉｎ／ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ／ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｐｓ／ｍａｔｅｒｉａｌ ｍｏｄｅｓ弹 出定 义材 料性 能的 对话框 ，如 图 ３所 示 ．点 击 ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ／ｌｉｎｅｒ／ｅｌａｓｔｉｃ／ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ，在 对 话 框 中 输 入 ＥＸ：２．０５Ｅ５，ＰＲＸＹ：０．３。在 ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ下单 击 ｄｅｎｓｉｔｙ 弹 出定 义 材料 密度 对 话 框 ，在 ＤＥＮＳ输 入 ７．８５ｅ９，如 图 ４所 示 。
本文 分析 的轴 的材料 为 ４５钢 ，可 以从 材料 手册 中 查得 其 密度为 ７ ８５０ ｋｇ／ｍａ，弹性 模量 为 ２０５ ＧＰａ，泊松 比为 ０．３。由电动 机输 出的额 定转 矩为 ５１６．３６ Ｎ ·ｍ， 可 以计算 得到 轴 的等效 力矩 为 ４６ ９４１ Ｎ ·ｍ。
本 次对 传动轴 进行 的有 限元 分析 主要包 括 阶梯 轴 的建模 、有 限元分 析 和强度 校核 。
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选 择 ｍａｉｎ ｍｅｎｕ／ｇｅｎｅｒａｌ ｐｏｓｔｐｒｏｃｅｓｓｏｒ／ ｐｌｏｔ ｒｅｓｕｌｔｓ，／ｄｅｆｏｒｍｅｄ ｓｈａｐｅ命 令 ，弹 出 ｐｌｏｔ ｄｅｆｏｒｍｅｄ ｓｈａｐｅ对 活框 ，选择 ｄｅｆ ｑ－ｕｎｄｅｒ ｅｄｇｅ按 针ｆ，点 击 ｏｋ按 钮 确 认 ，得 到 轴 变 形 图 ，如 １０所 示 。
丁新 兵
（山东 建 筑 大 学 机 电工 程 学 院 ， 山东 济 南 ２５０１０１）
摘 要 ： 以阶 梯 传 动 轴 为 例 ，通 过 三 维 制 图 软 件 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建 模 ， 然 后 将 其 导 入 ＡＮＳＹＳ对 其 进 行 分 析 ，在
ＡＮＳＹＳ 中添 加 约 束 与 载 荷 ，来 模 拟 实 际 工 作 中传 动 轴 的 载 荷 分 布 情 况 。通 过分 析发 现 此 轴 不 满足 强度 要 求 ，
第 ２期 （总 第 ２０１期 ） ２０１７年 ４月
机 械 工 程 与 自 动 化 Ｍ ＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧｌＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴ（）Ｍ ＡＴ１０Ｎ
文章 编 号 ：１６７２－６４１３（２０１ ７）０２—０９６－０２
Ｎｏ．２ Ａ ｐｒ．
基 于 ＡＮＳＹＳ的传 动 轴有 限元分 析
选 择 求 解 与 加 载 ｍａｉｎ ｍｅｎｕ／ｓｏｌｕｔｉｏｎ／ｄｅｆｉｎｅ— ｌｏａｄ／ａｐｐｌｙ／ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ／ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ／ｏｎ ａｒｅａｓ，如 图 ７ 所 示 。
轴 的 固定 约束类 型 如 图 ８所示 。 进 入求解 。选 择 菜 单 的路 径方 法 是 ｍａｉｎ ｍｅｎｕ／ ｓｏｌｕｔｉｏｎｇ／ｓｏｌｖｅ／ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉ Ｓ，弹 出 ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｓ ｄｏｎｅ表 示求 解成 功 ，如 图 ９所 示 。