基于ANSYS的传动轴受力分析

基于ANSYS有限元的复合材料传动轴失效分析

基于ANSYS有限元的复合材料传动轴失效分析

1. 引言

复合材料在传动轴应用中越来越广泛，其具有较高的强度和刚度，以及较低的密度和惯性矩。然而，由于其复杂的结构和复杂的加载条件，传动轴在运行过程中可能会发生失效。因此，基于有限元分析的复合材料传动轴失效分析显得尤为重要。

2. 传动轴结构和材料

传动轴主要有轴状结构，通常由多个复合材料组件组成，如纤维增强聚合物复合材料（FRP）和碳纤维增强复合材料（CFRP）。这些材料的组合可以提供较高的轴向和环向强度，从而提供更好的传递力矩和转速。

3. 复合材料传动轴的失效模式

复合材料传动轴的失效模式包括弯曲破坏、蠕变破坏、疲劳破坏和环剪切破坏等。这些失效模式通常是由不同的应力和应变引起的，并在不同的加载条件下发生。

4. 有限元模型的建立

基于ANSYS有限元软件，可以建立复合材料传动轴的三维有限元模型。模型的几何形状和材料属性可以根据实际情况进行设定。

5. 材料参数的输入

复合材料的性能参数需要根据实际测试数据进行输入。这些参数包括纤维体积分数、纤维方向的弹性模量和剪切模量，基体材料的弹性模量和剪切模量等。这些参数的准确性对于分析结果的准确性至关重要。

6. 边界条件和加载条件的设定

在进行有限元分析之前，需要确定边界条件和加载条件。边界条件通常包括固定支撑和固定约束等，以保证模型的稳定性。加载条件通常包括径向和环向的力矩和转速等。

7. 模型分析和结果评价

通过对复合材料传动轴模型进行有限元分析，可以得到应力和应变的分布图，以及轴的变形情况。利用这些结果可以评估轴的失效模式和强度。

8. 参数敏感性分析和优化设计

在分析过程中，可以对模型的几何形状和材料参数进行敏感性分析。通过调整这些参数，可以优化设计，提高传动轴的性能和可靠性。

9. 模型验证和实验验证

为了验证有限元模型的准确性，可以进行实验验证。将有限元分析结果与实验结果进行对比和验证，以确定模型的准确性和可靠性。

基于ANSYS和ADAMS的传动系统动力学分析

介绍了ADAMS柔性化理论，运用有限元软件ANSYS生成MNF中性文件，建立柔性体。在ADAMS软件中进行传动系统的刚-柔混合建模，分别添加齿轮副和接触力对传动系统角速度和角加速度进行分析对比，使仿真结果更加贴近实际。

标签：ANSYS；ADAMS；柔性化；仿真

近年来，随着大型机械和汽车的发展，对于齿轮和传动系统的研究越来越多。例如龚淼等人对航空发动机叶片的修复机床进行了动态建模和仿真，以提高机床传动动态稳定性；张会杰等人研究了有负载变化时的机床传动系统特性；黄露郎等人用拉格朗日法建立丝杠传动系统的动态模型，对系统振动进行了数值求解；袁文武等人研究了基于UG和ADAMS的齿轮啮合动力学仿真。但是，以往研究均是将传动系统构件作为刚性体考虑，刚性体构件在力的作用下不会产生变形，在研究齿轮传动方面，将齿轮及轴完全作为刚性体来研究，不能完全达到精度要求，需要把模型的部分构件处理成柔性体，建立刚-柔混合模型。

1 ANSYS柔性化

柔性体是相对于刚体的概念，它强调了构件的可变形性。ADAMS中将刚形体处理为柔性体有两种方法，一是利用ADAMS自身，建立离散柔性连接件；二是利用有限元软件建立柔性体。

ADAMS中柔性体是包含有构件模态信息的中性文件，构件的模态是构件自身的一个物理属性，构件被制造出来后，它的模态就已经确定，模态频率就是共振频率。实际上模态反应了有限元模型中各节点位移的比例关系。把几何模型离散成为有限元模型，有限元模型各节点都有各自的自由度，这样所有节点各自自由度的集和就构成了整个有限元模型的自由度。

在ADAMS中使用的模态中性文件必须借助于其他有限元软件。在启动ANSYS后，我们导入传动轴模型，单元类型我们选择三维八节点单元SOLID45，材料为steel，其弹性模量为E=202GPa，泊松比μ=0.3，密度DENS=7800kg/m3；在划分网格时，设置网格尺寸为0.01，划分六面体单元，划分完成后共13440个单元，14839个节点；在两圆面上设置刚性面，选取圆心位置节点为连接点；最后在Solution中选择Export to ADAMS，生成所需的MNF文件。

2012年7月农机化研究

第7期

基于ANSYS甘蔗装载机的有限元分析

郑广平1，李尚平2，娄玉印1，范志达1

(1．广西大学机械工程学院。南宁530004；2．钦州学院，广西钦州535000)

摘要：基于链传动具有平均传动比准确、传动效率高、结构紧凑和承载能力高的优点，设计了以链传动为主要

传动方式的装载机。采用APDL参数化设计语言建立了装载机各主要零件模型。通过有限元分析，结果表明：以

链传动为主要传动方式的装载机能够满足工作要求并且各主要零件能够满足强度和剐度要求。

关键词：甘蔗装载机；APDL；有限元；链传动

中图分类号：TP391．41文献标识码：A文章编号：1003—1∞X12012)07-0065-05

0引言

目前，我国甘蔗收割机械化已迫在眉睫，由于制

糖工艺的限制，整杆式的收获方式仍然是目前的主

流，为更进一步地减少劳动量，将现有的拉打捆技术

运用到甘蔗收割机中也是很有必要的。为此，本文设

计了一种针对这种成捆甘蔗装车的装载机，丽目前这

种小型装载机的研究大部分都是通过经验结论而不

是通过科学的计算进行的，如是通过类比或经验得出

各个零件的尺寸，采用这种传统的方法具有一定的盲

目性和局限性。因此，需要引进更为先进合理的设计

方法．使设计出的新型装载机更加科学和合理，为以

后装载机的生产和制造提供更加有效的参考。而有

限元方法就是针对上述缺陷而提出的先进有效的设

计方法。当前装载机的研究主要利用有限元理论结

合ANSYS软件，对装载机的各部分零件进行结构分析

验证其刚度和强度。此方法对提高装载机的寿命、加

工精度和降低成本具有重要的意义¨J。

1工作原理

本装载机由牵引蓄电池、电动机、机架、传动装置

和吊钩等组成+整体结构如图l所示。以蓄电池电动

机为动力代替了传统意义上的柴油机；以链传动作为

主要的传动方式。由牵引蓄电池作为电源，电动机通

过减速器带动整机传动系统的主动链轮，使整个链传

动装置运动起来；通过链条的循环运动，两对

收稿日期：201l-11一ll

基于ANSYS的减速箱中轴有限元静力分析

本文在ANSYS软件中建立了减速箱中输出轴模型，在约束条件下对模型进行加载，同时对模型进行有限元静力分析，即位移分析和应力分析。证明齿轮减速箱可能发生的故障原因与输出轴的刚度、强度无关，还要考虑其动载情况。

标签：有限元；减速箱；静力分析

一、静力分析概述

静力分析是计算由于稳态外载引起的系统的应变、应力或位移[1]，也就是所谓的结构响应。结构静力分析还可以计算近似等价为静力作用的随时间变化的载荷和固定不变的惯性载荷对结构的影响。

在分析过程中，通常令载荷和响应固定不变。施加的载荷一般包括：外部载荷、惯性载荷、位移载荷和温度载荷[2]。

二、输出轴的有限元模型

本文的减速器的输出轴材料为45号钢，输出轴总长为100mm，最大直径16mm，最小直径8mm。弹性模量是206000MPa，泊松比0.3[3]。本文采用实体建模法来建立有限元模型。

建模过程为[4]：

利用截面尺寸生成若干个矩形区域，通过布尔运算合并矩形区域，从而形成一个完整的面；采用图形用户界面人工控制，对面进行映射网格划分；通过旋转二维面网格从而得到轴的三维映射网格有限元模型。

在有限元模型的建立过程中，为了使模型的建立清晰、准确、明了，减少运算量。一般情况下，我们忽略轴上键槽及退刀槽，从而减少不重要同时麻烦的细节处理，可以减少工作量，对输出轴有限元模型的建立具有实际应用的作用。

三、边界约束条件及加载

施加约束的原则是，既要保证消除结构的刚体位移，又不影响输出轴的自由变形，在此条件下施加适当的约束。在对输出轴进行边界条件约束时，根据轴承座的固定方式和实际工作情况，对输出轴左端轴承处绕 Y、Z 轴的转动固定和X、Y、Z 轴方向的位移固定。另外，因为该输出轴为低速轴，在右端的轴承处固定其绕 X 轴方向的转动。

在减速箱工作过程中，输出轴主要承受径向力，包括输出轴上齿轮所传递的径向力和负载所产生的径向力。设输出功率为200W，转数为1300转，计算得