某型号空心传动轴的优化设计.doc

高速旋转空心轴的优化设计闫思江;韩晓玲;闫晗【摘要】基于结构优化处理器OptiStruct,采用有限元法对高速旋转空心轴进行优化设计,在既满足扭转刚度又满足临界转速的约束下,优化出质量最轻的旋转轴几何尺寸.本文给出了具体优化步骤和方法.【期刊名称】《锻压装备与制造技术》【年(卷),期】2016(051)001【总页数】3页(P104-106)【关键词】空心轴;高速旋转;有限元;优化设计【作者】闫思江;韩晓玲;闫晗【作者单位】青岛港湾职业技术学院,山东青岛266404;青岛港湾职业技术学院,山东青岛266404;大庆第二采油厂信息中心,黑龙江大庆163000【正文语种】中文【中图分类】TH391.7高速旋转轴是航空发动机具有关键特性的重要部件，其质量和特性水平对于发动机和飞机的可靠性、安全寿命和性能的提高具有决定性影响。

通过减轻高速旋转轴的质量，可以减轻发动机的总重量，从而提高发动机的性能[1]。

轴的转速达到一定值时，运转便不稳定而发生显著的反复变形，这种现象称为轴的振动。

如果作用于转轴的外来干扰频率（转子的转速）等于轴的固有频率，系统将发生共振，发生共振时的转速，称为临界转速ncr。

轴的工作转速n不能与其临界转速接近，否则将发生共振现象而使轴遭到破坏。

计算临界转速的目的就在于使工作转速避开临界转速。

以无阻尼单自由度系统为例说明优化中的设计变量选取，旋转轴简化模型如图1所示。

式中：A为振幅；K为刚度；m为质量；ωn为固有频率；φ为初相位。

式中：δ为挠度；I为惯性矩。

所以改变固有频率ωn的一般方法是改变轴的直径d[2]。

对于空心轴为内、外直径。

在航空发动机中，如何选取高速旋转空心轴的内、外直径，使得高速旋转轴在满足扭转强度、扭转刚度及临界转速下，质量最轻，此为尺寸优化问题，其简化模型及基本参数如图2和表1所示。

3.1 理论计算理论计算采用雷利（Rayleigh）近似公式[3]，假设作用在轴上的3个力如图3所示。

基于机械动力学的传动轴系统优化设计随着工业技术的不断发展，机械传动系统在各个领域起着至关重要的作用。

而传动轴系统作为机械传动的重要组成部分，其设计与优化对于传动效率、精度和可靠性有着重要影响。

本文将基于机械动力学的理论，探讨传动轴系统的优化设计方法。

一、传动轴系统的基本原理传动轴系统是用于传递功率和运动的一种机械装置。

其主要由轴、轴承、齿轮或皮带等组成。

传动轴系统能够传递旋转运动和扭矩，并将其传递到其他机械装置上。

在传动轴系统中，涉及到的机械动力学知识主要有力矩传递、转速计算、转矩计算等。

力矩传递是指在轴上施加的力矩通过轴承传递到其他部件，而转速和转矩之间的关系可以通过动力学方程进行计算。

在设计传动轴系统时，需要考虑到传动效率和传动精度等因素。

二、传动轴系统的优化设计方法1. 材料选择传动轴系统的材料选择是优化设计的第一步。

常见的材料有钢、铝、钛等。

不同的材料有着不同的强度和韧性特性，需要根据具体的工作条件选择适合的材料。

2. 尺寸设计尺寸设计是保证传动轴系统正常工作的关键。

在设计传动轴系统时，需要根据所需的扭矩和转速等参数，计算轴的直径和长度等尺寸。

同时，还需要考虑到传动轴的刚度和挠度等因素。

3. 轴承选择轴承在传动轴系统中起着支撑和导向作用。

在优化设计中，需要选择合适的轴承类型、尺寸和材料等。

同时，还需要进行轴承的润滑和密封等设计，以保证传动轴系统的正常工作。

4. 传动方式选择传动轴系统的传动方式有多种，如齿轮传动、皮带传动等。

在进行优化设计时，需要根据实际应用需求选择合适的传动方式。

不同的传动方式有着不同的传动效率和精度，需要根据具体情况进行选择。

5. 动力学要求在进行传动轴系统的优化设计时，需要根据具体应用要求考虑动力学要求。

比如，传动轴系统在高速运转时需要考虑离心力对轴的影响，同时还需要考虑传动带来的振动等。

三、案例分析为了更好地理解基于机械动力学的传动轴系统优化设计，我们以某机械设备的传动轴系统设计为例进行分析。

关于传动轴优化案例传动轴优化是一个广泛涉及的领域，涵盖了从材料选择、结构设计、制造工艺到性能测试等多个方面。

以下是一个关于传动轴优化的案例，以供参考：案例概述：某汽车制造企业为了提高其车辆的性能和舒适性，决定对传动轴进行优化。

目标是减小重量、提高刚度、降低振动和噪音，并确保高可靠性和耐久性。

优化过程：1. 设计和材料优化：采用先进的有限元分析（FEA）软件对传动轴进行详细的结构设计。

考虑到轻量化和强度要求，选择了高强度合金钢作为材料。

通过优化轴径、轴长和轴身截面形状，实现了轻量化和高刚度的目标。

2. 制造工艺优化：采用先进的热处理技术和精密加工工艺，确保零件的内在质量和表面精度。

同时，对关键部位进行特殊处理，如高频淬火和喷丸强化，以提高局部硬度和抗疲劳性能。

3. 性能测试与验证：在各种工况下对优化后的传动轴进行振动、噪音、疲劳寿命等方面的测试。

根据测试结果进行必要的调整和改进，确保达到预期的性能指标。

4. 成本与可行性分析：在满足性能要求的前提下，通过材料替代和工艺改进等手段降低成本。

同时，评估优化的可行性，确保优化方案在企业内部制造条件下得以实施。

5. 生产验证与持续改进：将优化后的传动轴应用于实际生产中，收集用户反馈和实际使用数据。

根据反馈和数据进行持续改进，不断完善产品性能。

优化成果：经过上述优化过程，该企业成功实现了传动轴的轻量化、高刚度、低噪音和长寿命目标。

优化后的传动轴显著提高了车辆性能和舒适性，得到了市场的高度认可。

此外，通过改进制造工艺和降低成本，企业提高了产品竞争力并取得了经济效益。

这个案例展示了传动轴优化在汽车制造领域的应用，涉及了从设计、材料、工艺到性能测试等多个方面的综合优化。

通过不断改进和完善，企业实现了产品性能的提升和成本的降低，为市场提供了更具竞争力的产品。

基于matlab煤液钻空心传动轴的优化设计煤液钻是煤矿井下开采煤层的一种重要工具，其传动轴是保证其正常运转的关键部件。

为了提高煤液钻的性能和寿命，优化设计煤液钻空心传动轴是非常必要的。

本文将从煤液钻的工作原理、传动轴的设计要求以及基于MATLAB的优化设计方法等方面进行详细阐述。

1. 煤液钻的工作原理煤液钻是利用高压液体将岩层中的碎屑物和水冲走，以达到开采煤层的目的。

煤液钻由电动机、液压泵、传动装置和钻头等组成。

其中，传动装置起到将电动机的转速通过传动轴传递给钻头的作用。

2. 传动轴设计要求传动轴作为连接电动机和钻头的关键部件，其设计要求如下：（1）能够承受高强度的转矩和轴向力；（2）具有足够的刚度和强度，以抵抗由于钻头工作时的振动和冲击力引起的轴向和径向变形；（3）尽量降低传动装置的能量损失，提高传递效率。

3. 基于MATLAB的优化设计方法MATLAB是一种常用的工程仿真和优化设计软件，可以通过编写脚本和函数来实现优化设计的过程。

具体的优化设计步骤如下：（1）确定设计参数：根据煤液钻的工作要求和传动轴的设计要求，确定设计参数，如轴的直径、材料、长度等。

（2）建立传动轴的有限元模型：根据设计参数和传动轴的几何形状，利用MATLAB中的有限元分析工具建立传动轴的有限元模型。

（3）应用约束条件和目标函数：根据传动轴的设计要求，将约束条件和目标函数转化为MATLAB中的数学表达式。

（4）选择优化算法：根据设计问题的特点和求解要求，选择合适的优化算法，如遗传算法、粒子群算法等。

（5）进行优化设计：利用MATLAB中的优化工具箱，结合选择的优化算法，对传动轴的设计参数进行优化求解，得到最优设计方案。

（6）评估设计方案：根据优化结果，对传动轴的性能和寿命进行评估，如果不满足要求，则返回第（3）步重新进行设计。

（7）制造和测试：根据最优设计方案，制造传动轴，并通过实验测试验证其性能和寿命。

通过以上步骤，我们可以利用MATLAB对煤液钻空心传动轴进行优化设计，提高煤液钻的工作效率和寿命。

空心轴的动态特性分析与优化设计空心轴是一种轴类零件，具有较小的重量和惯性矩，广泛应用于机械和工程设计中。

它的独特结构使得其动态特性受到一系列因素的影响，包括材料选择、几何形状以及制造工艺等。

本文将从多个角度对空心轴的动态特性进行分析与优化设计。

首先，材料选择是影响空心轴动态特性的重要因素之一。

常见的轴材料包括碳素钢、合金钢和铝合金等。

碳素钢具有优良的机械性能和较高的抗腐蚀能力，适用于一般工程应用。

合金钢由于添加了合适的合金元素，具有更高的强度和硬度，适用于承受较大载荷的工作条件。

铝合金轴由于其较低的密度和耐腐蚀性能，适用于体积和质量要求较小的应用场景。

因此，在设计空心轴时，应根据具体的工作条件选择合适的材料，以达到最佳的动态特性。

其次，空心轴的几何形状也对其动态特性有重要影响。

一般而言，较大的直径和较小的长度可以提高空心轴的刚度和抗弯强度。

此外，几何形状的对称性对空心轴的动态特性也有一定影响。

如果轴的几何形状不对称，可能会导致轴在运动中产生不平衡力矩，从而影响工作效率和稳定性。

因此，在设计空心轴时，应尽量保持几何形状的对称性，以确保良好的动态特性。

除了材料选择和几何形状，制造工艺也是影响空心轴动态特性的重要因素之一。

例如，热处理可以通过改变材料的晶体结构和硬度来提高轴的强度和耐用性。

此外，精密加工和表面处理可以改善轴的表面光洁度和尺寸精度，从而减小摩擦阻力和振动噪声。

因此，在制造空心轴时，应选择适当的制造工艺，以提高其动态特性。

针对以上因素，空心轴的优化设计可以从多个方面入手。

首先，可以通过材料选择和几何形状的优化来改善轴的刚度和抗弯能力。

例如，可以选择高强度的合金钢材料，并根据实际工作条件调整轴的直径和长度。

其次，可以通过精密制造和表面处理来提高轴的表面质量和尺寸精度。

例如，可以采用CNC加工和研磨工艺，以确保轴的精度和光洁度。

最后，可以借助计算机辅助设计和模拟分析工具对轴的动态特性进行模拟和优化。

132研究与探索Research and Exploration ·工艺与技术中国设备工程 2018.07 (上)2016年9月大修期间进行检查，换热器管束无明显腐蚀现象，表面黑灰色，腐蚀前后无明显变化。

由于固体粉末包埋渗铝工艺技术的改进，渗铝钢材料的焊接性能显著提高，碳钢渗铝换热器在高温环烷酸腐蚀部位可使用10年，可完全替代1Cr18Ni9Ti 换热器。

5 结语（1）碳钢渗铝材料具有优良的耐高温环烷酸腐蚀性能，其耐蚀性能是1Cr18Ni9Ti 不锈钢的10～15倍，与316L 耐蚀性能相当。

（2）改进型固体粉末包埋渗铝工艺解决渗层脆性问题，具有良好的焊接性能，适合工业化推广应用。

参考文献：[1]中石化总公司石油化工规划院.炼油厂设备加热炉设计手册第四分册[J].炼油厂的腐蚀与防护,1986，5.[2]中石化防腐石研究中心——洛阳石化工程公司设备所.碳钢渗铝填料耐高酸值辽河油应用研究[J].1996，11.[3]段学章.锦州炼油厂构件腐蚀失效分析[J].中科院沈阳腐蚀所,1995，10.[4]改进型包埋渗铝钢的特性与应用[J].第二届石油石化工业用材研究交流会，2001，（8）:45～48.[5]郑玉贵，敬和民等.环烷酸腐蚀研究的新进展[J].中国国际腐蚀控制大会论文集,2002，11.轴类零件在机械行业中用途广泛，主要起着支撑零部件、承受载荷、传递扭矩的作用。

轴的种类和结构多种多样，承受的载荷不同，其所受应力也不一样。

轴类零件的载荷计算是设计阶段的主要设计内容，传统的轴类零件载荷一般通过机械设计手册等行业规范来计算，过程复杂，耗费时间。

随着CAD/CAM 技术的发展，出现了各种机械辅助设计软件如PROE、UG、ANSYS 等，由于这些软件的功能包括三维建模、工程分析、模拟仿真、辅助制造等，采用计算机辅助设计软件可以节约时间、成本、物力、财力，在不少企业中，传统的人工设计计算方法逐渐被计算机软件所代替。

基于M AT LAB语言的机械优化设计祖效群1　赵艳丽2(1.合肥工业大学高等职业技术学院(安庆校区),安微246001;2.西北机器厂,陕西722405)摘要:介绍了MAT LAB优化工具箱的使用方法和在机械优化设计中的应用。

以某型号传动轴为实例,建立其优化设计的数学模型,利用MAT LAB工具箱求解。

关键词:优化设计;MAT LAB;优化工具箱;传动轴中图分类号:TH122 文献标识码:AThe Mechanical Op ti m ized Design with MAT ALB LanguageZu X i a oqun　Zhao Yan liAbstract:The operati on guide ofMAT ALB op ti m ized kit and its app licati on in p r ocess of mechanical op ti m ized de2 sign have been described in this article.Taking one type of the trans m issi on shaft as the exa mp le t o establish the math model for its op ti m ized design,which shall be s olved by means of MAT LAB kit.Key words:op ti m ized design;MAT LAB;op ti m ized kit;trans m issi on shaft1　引言机械优化设计是在现代机械设计理论发展基础上产生的一种新的设计方法,在连杆、凸轮、齿轮、涡轮、轴承、传动轴、机床等产品的机械设计的应用中取得了良好的效果。

机械优化设计作用是在进行某种机械产品设计时,可根据规定的约束条件,优选设计参数,使某项或几项设计指标获得最优值[1]。

空心传动轴的优化设计一、问题描述设计一重量最轻的空心传动轴。

空心传动轴的D 、d 分别为轴的外径和内径。

轴的长度不得小于5m 。

轴的材料为45钢，密度为7.8×10-6㎏/㎜，弹性模量E=2×105MPa ，许用切应力[τ]=60MPa 。

轴所受扭矩为M=2×106N·mm 。

二、分析设计变量：外径D 、内径d 、长度l设计要求：满足强度，稳定性和结构尺寸要求外，还应达到重量最轻目的。

三、数学建模所设计的空心传动轴应满足以下条件：（1） 扭转强度 空心传动轴的扭转切应力不得超过许用值，即τ≤[]τ空心传动轴的扭转切应力: ()4416dD MD-=πτ 经整理得 0107.1544≤⨯+-D D d（2） 抗皱稳定性扭转切应力不得超过扭转稳定得临界切应力:ττ'≤2327.0⎪⎭⎫⎝⎛-='D d D E τ 整理得：028.722344≤⎪⎭⎫⎝⎛---D d D d D D（3）结构尺寸min l l ≥0≥d 0≥-d D⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=l d D x x x X 321 则目标函数为：()()[]()3222166221012.61012.6min x x x d D l x f -⨯=⨯-=-- 约束条件为：0107.1107.1)(1541425441≤⨯+-=⨯+-=x x x D D d X g08.728.72)(2/3121424112/3442≤⎪⎪⎭⎫⎝⎛---=⎪⎭⎫⎝⎛---=X xx x x x x D d D d D D g055)(33≤-=-=x l X g0)(24≤-==x d X g 0)(215<+-=-=x x d D X g四、优化方法、编程及结果分析1优化方法综合上述分析可得优化数学模型为：()Tx x x X 321,,=；)(min x f ；()0..≤x g t s i 。