基于Workbench阶梯轴有限元分析.docx

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基于Workbench阶梯轴有限元分析

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曹鑫

摘要：以阶梯轴为研究对象，用三维软件NX10.0建立三维模型，将三维模型导入Workbench建立有限元模型对阶梯轴进行线性静力分析和模态分析，分析轴的变形及应力分布情况找出变形及应力最大位置，提出轴的改进方案，提高方案设计的可靠性。

关键词：阶梯轴;模态;有限元分析

0前言1

阶梯轴在作为机器正常运转的重要零件时，主要用于支撑轴上零件、传递运动和动力等，因此对其刚度和强度、疲劳可靠性方面都有很高的要求。随着计算机技术的不断发展，将Workbench软件应用在轴类零件设计开发中，可以大大缩短轴类零件的设计周期，从而减少设计成本，并有利于多种型号产品的开发。本文基于有限元理论，利用Workbench对阶梯轴进行静力分析和模态分析，为轴的设计提供了参考[1]。

1静力分析

1.1三维模型的建立

通过NX10.0强大建模功能所建立的三维实体模型，直接导入Workbench中分析[2]。在Workbench有限元分析中必须对模型进行一些简化，简化时要明确自己主要分析的那部分的那些结果，对不重要的次要细节可删除以减少计算量和计算时间，提高计算的精确度。分析对象是阶梯轴在将模型导入Workbench中，实验证明轴阶梯处的倒角和圆角对分析结果影响不大，但是Workbench分析时耗费大量时间，为减少计算量、缩短计算时间，忽略轴阶梯处倒角和圆角等[3]。导入Workbench中的模型如图1所示。

1.2模型的网格划分

网格可以分为自由网格和映射网格，针对自由网格和映射网格的不同特点。如对自由网格的划分对实体模型没有什么特殊的要求。如果要进行映射网格划分，对于2-D平面结构，映射网格必须是四边形和三角形结构。对于3-D结构，实体模型一定是六面体结构，如果是个复杂的体结构，也可拆分若干个六面体组合结构进行网格化分。

根据有限元和结构分析理论知识可知，用三维实体单元来描述复杂实体比较合适，更能反映实际况。由于六面体单元在划分时要求结构比较规则，对其进行六面体网格的自动划分比较困难，而用四面体单元户划分三维结构，单元划分是很灵活的，可以逼近较复杂的几何形状[4]。计算采用四面体单元Solid187，该单元为10节点单元，每个节点有三个沿着xyz方向平移的自由度。共有111149个节点和77808个单元。

阶梯轴的材料是45#钢，阶梯轴材料的力学参数下：弹性模量E=210Gpa;泊松比μ≈0.28;密度ρ=7.8×103kg/m3;安全系数k=2，综合运用以上所述，阶梯轴的有限元网格划分模型，如图2所示。

1.3有限元静力学计算与分析

网格划分完成后在StaticStructural中在两轴承端施加了全约束，对整体施加重力，在中间平键槽处施加了扭矩，大小为3420N.m。对阶梯轴进行施加约束条件和载荷。载荷和约束施加如图3所示。

在设置完约束和载荷边界条件后，经过Workbench进行计算可得到阶梯轴的总变形量和应力值。首先查看变形后的应力分布结果图，应力总效果云图如图4所示。

由以上图可知，阶梯轴所受最大应力的部位是键槽部位，而且最大值出现在左右两侧，最大值为13.316MPa，与所用材料的屈服强度355MPa相比较小，安全裕较大，最大应力没有超过所用材料的极限值，因此满足强度要求，表明本设计结构合理。

位移分析结果云图如图5所示：

由图5可知，从传动轴的位移效果图看来，可知传动轴在实际工况作用下最大位移主要分布在键槽部位，且最大变形值为2.76e-4mm，变形量较小，表明该阶梯轴具有较好的刚度，由此可得出设计的合理性。

2阶梯轴有限元模态分析

阶梯轴作为机械零部件的主要部件，其结构必须有足够的静强度和刚度来达到其疲劳寿命、装配和使用的要求，同时还应有合理的动态特性来达到控制振动与噪声的目的。在轴结构设计中，如果只考虑结构的静强度和刚度，而导致整个机械在工作中产生共振，噪音。模态分析的作用在于提取结构固有频率及振型，它是做动力学分析（如瞬态动响应分析、谱分析等）的基础也为结构的动态修改提供了重要的理论依据[5]。做模态分析的好处是：一是使结构设计避免共振或以特定频率进行振动;二是使工程师可以认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的;三是有助于在其它动力分析中估算求解控制参数。

2.1模型计算结果与分析

网格划分和约束条件同静力学分析一致。结果如下图6—图11所示。

3结论

利用Workbench分析软件，在合理简化模型，正确加载与约束下，可以快速和深入地对不同工况下的结构分析，同时可以在合理的限定条件下，对模型进行结构分析，对方案进行优化并提出评价。静力分析是优化设计的关键，根据分析数据进行结构设计，不仅满足产品要求，而且对結构优化设计起