基于ANSYS的軸類零件有限元靜力學(xué)分析

1、基于ANSYS的軸類零件有限元靜力學(xué)分析馬超（山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，車輛工程2011-1）前言軸向受彎扭的桿件在工程中的應(yīng)用非常廣泛。齒輪減速器中的齒輪軸承受扭矩的作用，如果扭矩過(guò)大，或者軸過(guò)于細(xì)長(zhǎng)，則有可能突然變彎，發(fā)生穩(wěn)定失效。有限元法是利用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬分析的方法。ANSYS軟件作為一款功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的有限元分析軟件，不僅具備幾何建模的模塊，而且也支持其他主流三維建模軟件接口，目前在工程技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，其有限元計(jì)算結(jié)果已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能分析的可靠依據(jù)。文章在基于有限元分析軟件ANSYS的基礎(chǔ)上對(duì)軸的承載特性進(jìn)行了分析。摘要：介紹應(yīng)用ANSYS軟件分析軸類

2、零件在扭轉(zhuǎn)載荷壓力作用下發(fā)生形變量和應(yīng)力分布的情況。關(guān)鍵詞：載荷；軸；ANSYS一問(wèn)題分析求解下圖為一軸類零件結(jié)構(gòu)示意圖。該零件在兩個(gè)滾動(dòng)軸承處受到軸向和徑向約束，左側(cè)鍵槽側(cè)面受到6000N的均布載荷，右側(cè)鍵槽側(cè)面受3000N的均布載荷。模型材料為鋼材料，彈性模量為，泊松比為0.3。作出等效應(yīng)力圖和變形圖，并進(jìn)行強(qiáng)度分析。二軸有限元模型2.1建立軸零件有限元模型軸為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)。在Siemens UG NX8.5中建立該軸三維模型，通過(guò)接口導(dǎo)入ANSYS中。該載荷軸采用Tet 10node 187單元。此單元是一個(gè)高階3維20節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿x、y和z方向平移的自由度，具有二

3、次位移模式，主要適用于位移、變形等方面。如果要求精度高，可較好地剖分；如果要求精度不高，由于單元本身是高階單元，使用稍微弱一點(diǎn)的網(wǎng)格也可行，能夠用于不規(guī)則形狀，且不會(huì)在精度上有任何損失。2.2網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分的過(guò)程就是結(jié)構(gòu)離散化的過(guò)程，通常軸模型劃分的單元越多越密集，就越能反映實(shí)際結(jié)構(gòu)狀況，計(jì)算精度越高，計(jì)算工作量越大，計(jì)算時(shí)間增長(zhǎng)。由于軸結(jié)構(gòu)屬于局部不規(guī)則幾何體，因此采用自動(dòng)劃分法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。該劃分方法能夠在規(guī)則與不規(guī)則幾何體之間自動(dòng)切換，將單元尺寸設(shè)置為SIZE=7，得到軸承座有限元模型的總節(jié)點(diǎn)數(shù)為73891，總單元數(shù)為51808，如下圖所示。2.3載荷分析根據(jù)該階梯軸的受力特點(diǎn)，以載荷

4、的形式施加到模型上，在該零件兩個(gè)滾動(dòng)軸承處施加軸向和徑向的位移約束，左側(cè)鍵槽側(cè)面施加6000N的均布載荷，右側(cè)鍵槽相對(duì)側(cè)面施加3000N的均布載荷，并觀察該軸在約束與載荷作用下的應(yīng)力與變形情況。三計(jì)算結(jié)果分析3.1等效應(yīng)力分析零件受載后的等效應(yīng)力圖如下。從下圖中可以看出，鍵槽受載側(cè)面和軸的退刀槽及臺(tái)階處所受應(yīng)力較大，該軸所受的最小應(yīng)力為12.0553MPa，最大應(yīng)力為23163.3MPa，故滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求。3.2彈性變形分析軸在載荷的作用下產(chǎn)生的變形結(jié)果如下圖。從結(jié)論可以看出，變形最明顯處發(fā)生在退刀槽和左側(cè)鍵槽受載側(cè)面處。軸的彈性形變量較小，最大形變量為，能夠保證其在給定載荷的情況下正常工作。通過(guò)應(yīng)力與應(yīng)變分析可知，軸的有限元模型的建立、分析結(jié)果是客觀的，較為真實(shí)的反映了軸在受載荷的作用下的承載特性，且滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)論綜上所述，本文運(yùn)用力學(xué)分析方法，應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)軸模型進(jìn)行有限元分析，了解其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)分布，通過(guò)仿真其工作狀態(tài)，在設(shè)計(jì)階段就可以得到軸的彈性變形量和應(yīng)力分布情況，從而對(duì)軸進(jìn)行承載能力研究，為保證工程設(shè)計(jì)質(zhì)量及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的使用情況具有一定得指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)：1機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).機(jī)械工業(yè)出版社，2000.