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基于CATIA和HYPERWORKS传动轴有限元分析及优化

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基于CATIA 和HYPERWORKS 传动轴有限元分析及优化刘灵芝1，张冰战2，牛占占2（1.安徽交通职业技术学院汽车与机械工程系，安徽合肥230051；2.合肥工业大学汽车与交通工程学院，安徽合肥230009）摘要：传动轴装置是汽车传动系统的重要组成部分，在行驶过程中负责汽车动力的传输。

本文基于CATIA 和HY-PERWORKS 有限元软件对某商用汽车万向传动装置进行强度分析，检验此商用车的传动轴设计是否存在缺陷。

经过分析计算得到十字轴套筒和万向节叉的设计存在明显的缺陷，提出改进相应零部件的措施，对传动轴设计的进一步优化具有参考意义。

关键词：传动轴；有限元分析；应力分析；结构优化DOI ：10.13757/34-1328/n.2019.02.018中图分类号：TH16;TH133.4文献标识码：A 文章编号：1007-4260(2019)02-0080-05Finite Element Analysis on Driving Shaft and Optimization Based on CATIAand HYPERWORKSLIU Lingzhi 1,ZHANG Bingzhan 2,NIU Zhanzhan 2(1.Anhui Communications V ocational &Amp,Department of Automobile and Mechanical Engineering,Hefei 230051,China;2.Hefei University of Technology,College of Automobile and Transportation Engineering,Hefei 230009,China)Abstract:The transmission shaft device is an important component of the automobile driving system,which is in chargeof automobile power transmission in the process of driving.The universal gear strength for a commercial car is analyzed basedon the finite element software CATIA and HYPERWORKS to validate whether the design is defective in the commercial vehi-cle drive shaft.The results of analysis and calculation show that there exist obvious flaws in the design of the cross shaftsleeve and the cardan.Therefore,we puts forward the measures to improve the corresponding parts,which has reference signif-icance for further optimizing the design of the shaft.Key words:driving shaft;finite element analysis;stress analysis;optimization for structure汽车传动轴的主要作用是把发动机减速器的运动传递到驱动桥，使驱动桥获得规定的转速和方向，其主要传递的是转矩。

因此，传动轴设计中的应力分析是重点[1-2]。

传动轴有不同的类型，但是应力分析所使用的方法是相同的，相互之间可以参考[3]。

本文以传动轴总成为研究对象，首先在CATIA 软件中建立传动轴总成三维模型，然后把三维模型导入到有限元软件Hyperworks 中建立有限元模型，在Hyper-works 软件中做各个零部件间的接触和零部件的材料属性，并且在零件上施加合理的约束和载荷。

建立好分析步，导入到Optistruct 软件中进行计算，得到传动轴各个零部件的静强度，分析传动轴装置最易发生损坏的位置及原因，提出合理的措施来改善产品设计存在的缺陷[4-6]。

1传动轴总成模型传动轴总成主要由两端的万向节和中间的轴管组成，在CATIA 软件中建立三维模型，如图1所示。

收稿日期：2019-03-05作者简介：刘灵芝（1971—），女，安徽砀山人，硕士，安徽交通职业技术学院汽车与机械工程系副教授，研究方向为汽车结构与汽车电子技术。

E-mail:liulingzhi09@2019年6月第25卷第2期安庆师范大学学报(自然科学版)Journal of Anqing Normal University(Natural Science Edition)Jun.2019Vol.25No.2第2期图1传动轴总成主要零件三维模型在CATIA 软件中建立的三维模型，导入到Hyperworks 软件中建立有限元模型。

在建立有限元模型时，对三维模型进行必要的几何处理：三维模型中倒角、小型的垫片及与有限元分析相关很小的组件进行省略。

在处理十字轴的轴承时把小型的几何特征清理掉，保留轴承的套筒。

处理万向节叉和凸缘叉时，把叉耳与十字套筒相接触的耳孔表面的小凹槽进行清理。

经过几何清理过的三维模型，再进行有限元模型的建立时，能够得到较高质量的网格。

在保证计算精度的情况下对各部件的不同位置网格进行合理的分布，局部进行加密处理。

文章采用四面体单元进行网格的划分，传动轴总成的有限元模型共包含153260个节点、700466个单元，其有限元模型如图2所示。

图2传动轴总成有限元模型2OptiStruct 前处理2.1传动轴总成工况传动轴主要传递的力矩来源于发动机，力矩经过离合器和变速器传递到传动轴。

在传动轴总成中，万向节是最容易出现故障问题的组件。

万向节的载荷信息通过理论计算得出，传动轴一般计算三种工况载荷：1)按发动机最大转矩和一挡传动比来确定；2)按驱动轮打滑来确定；3)按日常平均使用转矩来确定。

万向传动轴因布置位置不同，计算载荷也不同。

本传动轴在变速器和驱动桥之间，采用前两种方法计算载荷：T se1=k d T emax ki 1i f ηn ,（1）T ss1=G 2m ′2φr r i o i m ηm,（2）式中：k d 为猛接离合器所产生的动载系数，取1；T emax 为发动机最大扭矩，取2000N ∙m ；k 为液力变矩器变矩系数，取1.2；i 1为变速器一挡传动比，取7.64；i f 为分动器传动比，取6；η为发动机到万向传动轴之间的传动效率，取95%；n 为驱动桥数，取2；G 2为满载状态下一个驱动桥上的静载荷，取80000N ；m'2为汽车最大加速度时的后桥负荷转移系数，取1.2；φ为轮胎与路面的附着系数，取1.25；r r 车轮滚动半径，取0.5m ；i m 为主减速器到车轮的传动比，取6；ηm 为主减速器到车轮的传动效率，取95%。

把数据代入上式中得：T se1为52257N ∙m,T ss1为51768N ∙m 。

对万向传动轴进行静强度计算时，计算载荷T 取T se1和T ss1的最小值[7]。

2.2材料属性在Hypermesh 软件中建立各部件的材料和属性，其中所有部件均各向同性，根据合作厂商提供的材料，参考《汽车设计手册》和《机械设计手册》得到各零部件的材料属性如表1所示[8]。

刘灵芝，张冰战，牛占占：基于CATIA 和HYPERWORKS 传动轴有限元分析及优化··81安庆师范大学学报（自然科学版）2019年表1传动轴各零部件的材料属性2.3建立接触在Hyperworks 中进行OptiStruct 前处理时，由于研究对象为传动轴总成，各个部件之间须通过设置正确的接触来满足分析要求[9]。

根据弹性力学的相关理论，两个弹性体物体发生接触且有力的作用就会有形变发生，因为只有当两个表面发生接触时才会有约束产生，而当两个接触的面分离时，约束就不存在了，所以这种约束是不连续的。

在Hyperworks 软件中进行OptiStruct 前处理时，选择Auto-Contact 接触工具，接触类型选择实体接触。

因为有一部分零部件之间在有限元模型中相互之间存在间隙，所以可以设定大约距离为3，最大扭转角设定为15，找到零部件之间的接触面，筛选所需要的接触对，这样就可以解决计算中收敛的问题。

万向节的接触面如图3所示。

图3万向节各零部件接触面2.4建立载荷与约束在有限元模型中施加约束时，固定传动轴总成的一端，选择在凸缘叉的底部4个孔处施加约束。

首先在凸缘叉底面圆心处建立一个节点作为主节点，选择4个孔内表面的所有节点作为从属节点，然后建立一个刚性连接（rbe2），在刚性连接的主节点施加约束，对主节点进行6个自由度全约束，如图4(a)所示。

载荷的施加点在传动轴的另一端，与约束的施加方法相似，首先在凸缘叉底面圆心处建立一个节点作为主节点，选择4个孔内表面的所有节点作为从属节点，然后建立一个刚性连接（rbe2），在刚性连接的主节点施加大小为51768Nm 的扭矩，如图4(b)所示。

图4传动轴的载荷与约束··82第2期3传动轴静力学计算结果及分析对于传动轴总成所选择工况进行有限元分析计算，得到发动机最大转矩和一挡传动比的各零部件的应力云图，如图5所示。

在此工况下传动轴各零部件的最大应力如表2所示。

表2万向节各零部件最大应力表由表2可知，在发动机最大转矩和一挡传动比时，凸缘叉和十字轴的安全系数均在2以上，万向节叉的安全系数为1.13，十安全系数为0.94。

十字轴套筒所受的最大应力为576MPa ，高于它本身的屈服强度极限，说明此十字轴套筒的设计存在明显的缺陷。

所以在此工况下汽车运行时，十字轴套筒最容易出现损坏，单独通过改变结构来降低十字轴套筒所产生的应力很难达到要求，所以必须更换十字轴套筒的材料，换成屈服强度在748MPa 以上的最佳。

十字轴最大应力出现在倒圆角处，如图5(a)中A 区域所示，原因是有形状突变引起的应力集中[10]。

万向节叉和凸缘节叉的最大应力出现在与十字套筒相接触的耳孔处，如图5(b)中B 区域和图5(c)中C 区域所示。

十字轴套筒出现最大应力的部位如图5(d)中D 区域所示。

(b )(a )(c)(d)图5各零部件的最大应力云图4传动轴的设计优化经过分析传动轴的十字轴套筒所受应力大于其屈服强度的极限，把材料换成40Cr ，再次经过仿真分析得到满足设计要求的结果。

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CATIA有限元的分析报告计算实例完整版

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CATIA有限元分析计算实例CATIA有限元分析计算实例11.1例题1 受扭矩作用的圆筒11.1－1划分四面体网格的计算（1）进入【零部件设计】工作台启动CATIA软件。

单击【开始】→【机械设计】→【零部件设计】选项，如图11－1所示，进入【零部件设计】工作台。

图11－1单击【开始】→【机械设计】→【零部件设计】选项单击后弹出【新建零部件】对话框，如图11-2所示。

在对话框内输入新的零件名称，在本例题中，使用默认的零件名称【Part1】。

点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，进入【零部件设计】工作台。

（2）进入【草图绘制器】工作台在左边的模型树中单击选中【xy平面】, 如图11-3所示。

单击【草图编辑器】工具栏内的【草图】按钮，如图11-4所示。

这时进入【草图绘制器】工作台。

图11－2【新建零部件】对话框图11－3单击选中【xy平面】（3）绘制两个同心圆草图点击【轮廓】工具栏内的【圆】按钮，如图11-5所示。

在原点点击一点，作为圆草图的圆心位置，然后移动鼠标，绘制一个圆。

用同样分方法再绘制一个同心圆，如图11-6所示。

图11－4【草图编辑器】工具栏图11－5【轮廓】工具栏下面标注圆的尺寸。

点击【约束】工具栏内的【约束】按钮，如图11-7所示。

点击选择圆，就标注出圆的直径尺寸。

用同样分方法标注另外一个圆的直径，如图11-8所示。

图11－6两个同心圆草图图11－7【约束】工具栏双击一个尺寸线，弹出【约束定义】对话框，如图11－9所示。

在【直径】数值栏内输入100mm，点击对话框内的【确定】按钮，关闭对话框，同时圆的直径尺寸被修改为100mm。

用同样的方法修改第二个圆的直径尺寸为50mm。

修改尺寸后的圆如图11-10所示。

图11－8标注直径尺寸的圆草图图11－9【约束定义】对话框（4）离开【草图绘制器】工作台点击【工作台】工具栏内的【退出工作台】按钮，如图11-11所示。

退出【草图绘制器】工作台，进入【零部件设计】工作台。

基于Adams／car和Hyperworks某汽车转向节有限元分析

基于Adams／car和Hyperworks某汽车转向节有限元分析

基于Adams／car和Hyperworks某汽车转向节有限元分析Chapter 1: IntroductionThe modern automotive industry is continuously striving to improve the safety and performance of vehicles by implementing new technologies and improving existing ones. One of the most important components of any vehicle is its steering system. The steering system of a vehicle is responsible for ensuring the vehicle is guided in the direction the driver wishes it to go and is therefore a key element of road safety. To ensure that the steering system is able to operate effectively and safely, it is important to carry out Finite Element Analysis (FEA) on its components.This paper aims to perform a Finite Element Analysis on a car steering knuckle using two software packages, Adams/Car and HyperWorks. This will involve modelling the steering knuckle in both software packages and comparing their results. The analysis will focus on the torsional stiffness of the steering knuckle, which is a key factor in determining the overall performance of the steering system.Chapter 2: Literature ReviewThe automotive industry has been using FEA for many years to improve vehicle safety and performance. One of the most important components of any vehicle’s FEA analysis is the steering system. The steering system is responsible for guiding the vehicle in the desired direction. Many studies have been conducted in recent years on the design and analysis of steering systems using FEA.Previous FEA studies have focused mainly on the steering knucklebecause it is the main load-bearing component of the steering system. Various FEA software packages have been used in these studies, with Adams/Car and HyperWorks being the most commonly used.Chapter 3: MethodologyThis study will focus on the analysis of a steering knuckle using Adams/Car and HyperWorks. Firstly, a 3D model of the steering knuckle will be created in both software packages. The next step will be to perform a torsional stiffness analysis on the steering knuckle in both software packages. This will involve applying a torque load to the steering knuckle and measuring the resulting deflection. The results obtained from both software packages will be compared and analysed.Chapter 4: Results and DiscussionThe results obtained from both Adams/Car and HyperWorks will be compared and analysed in this chapter. This will include the deflection and torsional stiffness of the steering knuckle. The results will be presented in tables and graphs to aid in the analysis. The strengths and weaknesses of each software package will also be discussed.Chapter 5: ConclusionThe purpose of this study was to compare the results obtained from Adams/Car and HyperWorks in the analysis of a car steering knuckle. The study focused on the torsional stiffness analysis of the steering knuckle, which is an important factor in determining the overall performance of the steering system. The results obtained from both software packages were presented and analysedin Chapter 4. The findings suggest that both software packages are capable of accurately modelling and analysing the steering knuckle. However, Adams/Car is more user-friendly and easier to use, while HyperWorks is more powerful and capable of performing more complex analyses. Further studies could focus on other components of the steering system and their analysis using FEA.。

catiaUG及HyperMesh实例教程

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catiaUG及HyperMesh实例教程Catia、UG及Hyper Mesh实例教程CA TIA杯身杯身透明杯盖杯盖侧面杯盖上色1、杯盖：草图（画圆）——凸台操作——打孔——螺纹——在杯盖上用样条线和旋转操作指令做小凸圆。

2、杯身：草图（矩形）——旋转操作——拔模——打孔（杯内容积）——用样条线和肋操作做杯子把手——凹槽指令做杯身上端——螺纹操作UG生成刀轨加工过程外轮廓加工内轮廓精加工精加工刀轨１、开始中有很多模块——用加工模块２、建立刀具程式顺序视图、机床视图（有多少个刀具）、几何视图、加工方法视图。

点建立刀具——mill_planar平面（水平面或垂直面组成粗加工-半精加工-精加工）、mill_contour型腔铣（特点：曲面）、multi-axis（多轴铣——四轴或五轴）。

刀具子类型刀具位置：generic_machine 从属于。

none 没有从属。

给刀具起名（在名称中）确定刀具参数（直径30、底圆角半径、长度75······）刀具材料：HSS 数字（刀具号、长度补偿、刀具补偿给寄存器编号3、3、3）有的时候设置夹持器（型腔深的时候可能与夹持器发生干涉碰撞故需设置）３、建立几何体a、毛坯首先视图切换到几何视图——设置毛坯几何体（用图层设定、编辑—显示与隐藏）——放到workpiece 中——指定毛坯——默认几何体不要动（粉色预选、红色选上）——设置完成（小电棒显示）——确定b、零件显示零件（编辑、隐藏、毛坯、点击零件）——建立几何节点（建立几何体）——集合体子类型（第二个）、位置（从属于workpiece、有毛坯的几何节点、改名称）——确定——指定零件——选择零件实体（红色）——确定——再确定——设置加工坐标系（后边字母有M，而C的是建立几何模型）——双击加工坐标系（双击ＭＩＬＬ对应的路径框）——自动捕捉（确定机床上的加工原点、一点直接移动到另一点。

基于有限元的汽车传动轴综合优化分析

基于有限元的汽车传动轴综合优化分析

基于有限元的汽车传动轴综合优化分析【摘要】传动轴作为汽车传动系统的重要零部件，由于自身结构的特点使其振动频率较低、刚度小，万向节附加力矩的存在等，传动轴高速运转时不可避免地存在振动现象。

因此研究传动轴的振动问题对解决整车的平顺性和舒适性有着重要的意义。

以有限元软件ANSYS为基础，进行了传动轴的实体设计。

基于有限元法计算传动轴的固有频率和振型，运用试验模态技术对传动轴进行模态分析，试验结果验证了有限元模型的可靠性。

【关键词】汽车传动轴；模态分析；ANSYS汽车传动轴的主要功能就是把发动机减速器的转动力矩传递到驱动装置，使驱动装置获得发动机传递来的力矩。

因此，传动轴设计中的强度及刚度校核主要表现为传动轴的受扭强度校核和材料刚度校核。

汽车传动轴主要作用是把发动机减速器的运动传递到驱动桥，使驱动桥获得规定的转速和方向，其传递的主要为转矩。

因此，传动轴的强度校核主要为受扭强度校核。

传统的分析方法，一般都是首先通过轴传递的最大转矩，计算出轴的最小直径；然后通过计算作用在轴上的载荷、不同断面上的转矩、轴向力和弯矩，利用解析法或图解法确定轴不同位置的支反力，最后利用传统的计算公式进行强度校核，确定安全系数。

如果安全系数小于许用安全系数，还要进行疲劳强度计算。

此过程计算繁杂，反复性强，而且可靠性差，很可能因为计算误差，造成由于传动轴强度不够而引发的轴裂、轴断事故。

因此，研究一种新的准确、快捷的强度分析方法迫在眉睫。

ANSYS 软件作为一种广泛应用CAE软件，应用有限元法对结构进行静力学、动力学、热力学和电磁学等多种分析。

通过ANSYS软件的应用，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。

1.传动轴的实体模型的建立模型中按不同的截面形状将传动轴分为5段，其中1与5段是传动轴与万向节连接部分节叉的等效简化，4段为薄壁圆管，其它各段都为实心圆轴。

考虑到2段与3段之间原来的花键连接，将右支承设置为水平方向自由移动，而左支承为简支。