基于ANSYS的轴类零件元静力学分析

摘要ANSYS 有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。

因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。

传动轴是最常件的零件，该零件结构较为简单，操作方便，加工精度高，价格低廉，因此得到了广泛的使用。

目前很多传动轴都做了适当的改进，使其适用性得到了更大的提高。

.本设计是基于ANSYS 软件来汽车传动轴行分析。

与传统的计算相比，借助于计算机有限元分析方法能更加快捷和精确的得到结果。

设置正确的模型、划分合适的网格，并合理设置求解过程，能够准确的获得分析模型各个部位的应力、变形等结果。

对零件的设计和优化有很大的参考作用。

正是因为上述优点，我在本设计中运用UG 来建立三维模型。

再将此模型导入ANSYS 软件来对其进行分析。

关键词：传动轴，三维建模，ANSYS，动静态分析A b st r ac tANSYS (f i n i t e e l e m e n t) package i s a m u l t i-p ur po s e f i n i t e e l e m e n t method for computer des i gn program that can be used to s o l ve the structure, fluid, e l ec tr i c i ty,e l ec tr o m ag n et i cf i e l ds and co lli s i on problems. So it can be applied to the followingi ndus tr i es: aerospace, au tom o t i v e,bi o m ed i ca l,b r i dge s,c on s tr uc t i on,e l ec tr o ni cs,h ea vy machinery, mi cro-el e ct r o m echa ni ca l systems, sports equipment and so on.Tr an s mi ss i on s h a f t i s the most common a r egu l a r part, the part structure i s s i m p l e, convenient o pera t i on, high pr ec i s i on, low pr i c es, it has been w i d e l y used. At pr ese n t, many have made the appro pr i at e Tr an s mi ss i on s h a f t i mpr o v e m e n t s,it has been gr ea t l y enhanced app li c a bi li ty.The des i gn i s based on ANSYS s o f t ware to Tr an s m i ss i on s ha f t by the line of s p i nd l e. Compared with the tr adi t i on a l c a l cu l at i on,computer-based f i n i t e e l e m e n t an a l y s i s method can be f a s t er and more accurate r es u l t s.Set the correct m o de l,dividing the right grid, and set a reasonable s o l ut i on process, an a ly t i ca l m o de l can ac curat e l y access t h e various parts of the stress and de f o r m at i on r es u l t s. On the part of the des i gn a ndop t i mi za t i on has great r ef ere n c e.It i s because of these advantages, the use of this des i gn in my UG to crea t et h r ee-di m e ns i on a l model Tr a ns m i ss i on s h a f t. Then this model was i n tr o duce d by t h e ANSYS s o f t wa r e to i t s line of a n a ly s i s.Key Words: Tr an smiss i on s h af t，t h r ee-d i me n si on al mo d e li ng，ANSYS，d y n am i c and s t a t i c a n al y s i s目录摘要.............................................................................................................................. - 1 -Abs tr ac t ............................................................................................................................. -2 -目录.............................................................................................................................. - 2 -第1 章绪论..................................................................................................................... - 4 -1.1 选题的目的和意义............................................................................................. - 4 -- 2 -1.2 选题的研究现状及发展趋势.............................................................................. - 4 -1.3 传动轴知识........................................................................................................ - 5 -1.4 传动轴的结构特点............................................................................................. - 5 -1.5 传动轴重要部件................................................................................................. - 6 -1.6 传动轴常用类型................................................................................................ - 7 -第2 章本课题任务和研究方法...................................................................................... - 8 -2.1 课题任务............................................................................................................ - 8 -2.2 分析方法............................................................................................................. - 8 -3.3 本课题的研究方法............................................................................................. - 9 -3.4 有限元方法介绍................................................................................................ - 9 -3.4.1 概述.................................................................................................................. - 9 -3.4.2 基本思想......................................................................................................... - 9 -3.4.3 特点................................................................................................................ -10 -3.5 ANSYS 软件简介............................................................................................. -11 -第4 章确定汽车传动轴研究对象和UG 建模............................................................. -12 -4.1 确定汽车传动轴研究对象概述........................................................................ -12 -4.2 汽车传动轴（变速箱第二轴）的3D 建模设计............................................. -14 -4.2.1 进入UG 的操作界面............................................................................ -14 -第5 章汽车传动轴的有限元分析................................................................................ -21 -5.1 有限元分析的基本步骤............................................................................ -21 -5.2 有限元分析过程与步骤........................................................................... -22 -5.2.1 转换模型格式........................................................................................ -22 -第六章总结和传动轴的优化设计分析........................................................................ -41 -结论................................................................................................................................ -41 -参考文献........................................................................................................................ -42 -致谢.............................................................................................................................. -43 -第1 章绪论1.1 选题的目的和意义随着计算机技术的日益普及和FEA 技术的蓬勃发展，人们已经广泛采用计算机有限元仿真分析来作为传动轴强度校核的方法。

第1章 静力分析1.1 力的概念力在我们的生产和生活中随处可见，例如物体的重力、摩擦力、水的压力等，人们对力的认识从感性认识到理性认识形成力的抽象概念。

力是物体间的机械作用，这种作用可以使物体的机械运动状态或者使物体的形状和大小发生改变。

从力的定义中可以看出力是在物体间相互作用中产生的，这种作用至少是两个物体，如果没有了这种作用，力也就不存在，所以力具有物质性。

物体间相互作用的形式很多，大体分两类，一类是直接接触，例如物体间的拉力和压力；另一类是“场”的作用，例如地球引力场中重力，太阳引力场中万有引力等。

同时力有两种效应：一是力的运动效应，即力使物体的机械运动状态变化，例如静止在地面物体当用力推它时，便开始运动；二是力的变形效应，即力使物体大小和形状发生变化，例如钢筋受到横向力过大时将产生弯曲，粉笔受力过大时将变碎等。

描述力对物体的作用效应由力的三要素来决定，即力的大小、力的方向和力的作用点。

力的大小表示物体间机械作用的强弱程度，采用国际单位制，力的单位是牛顿（N ）（简称牛）或者千牛顿（kN ）（简称千牛），1kN =103N 。

力的方向是表示物体间的机械作用具有方向性，它包括方位和指向。

力的作用点表示物体间机械作用的位置。

一般说来，力的作用位置不是一个几何点而是有一定大小的一个范围，例如重力是分布在物体的整个体积上的，称体积分布力，水对池壁的压力是分布在池壁表面上的，称面分布力，同理若分布在一条直线上的力，称线分布力，当力的作用范围很小时，可以将它抽象为一个点，此点便是力的作用点，此力称为集中力。

由力的三要素知，力是矢量，记作F ，本教材中的黑体均表示矢量，可以用一有向线段表示，如图1-1所示，有向线段AB 的大小表示力的大小；有向线段AB 的指向表示力的方向；有向线段的起点或终点表示力的作用点。

1.2 静力学基本原理所谓静力学基本原理是指人们在生产和生活实践中长期积累和总结出来并通过实践反复验证的具有一般规律的定理和定律。

得分
基于ANSYS的传动轴受力分析1 传动轴建模
三段阶梯轴(单位：mm)
2 传动轴的有限元模型
有限元模型单元类型：Solid45
材料属性：45钢，EX=210E6Mpa ，Prxy=0.3
网格划分：自由划分，控制全局单元大小为5mm 实体单元数目：47165
3 载荷和约束加载
说明载荷和约束大小及加载位置：
一端端面的全约束，另一端面的面载荷p=18Mpa。

4 分析结果
变形图
应力图
最大位移和最大应力各是多少
最大位移：0.257E-4mm
最大应力：23.146Mpa
5 结论
说明应力是否在许用范围内，最大应力出现在什么地方。

45钢：
屈服强度：310Mpa
抗拉强度：570Mpa
所以应力在许用范围内，最大应力出现在轴肩处。

ANSYS在轴类零件有限元分析中的应用孙妍【摘要】运用ANSYS软件对轴类零件进行静力学分析,从而提供了一种完善的设计手段,大大缩短了轴类零件产品的设计周期,减少了设计成本.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2010(000)012【总页数】2页(P40-41)【关键词】ANSYS;轴;应力【作者】孙妍【作者单位】南京信息职业技术学院,机电学院,南京,210046【正文语种】中文【中图分类】TP391.71 引言轴在作为机器正常运转的重要零件时［1］，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［2］。

随着计算机技术的不断发展，将ANSYS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［3］。

本文对一轴零件进行有限元静力学分析，分析了该轴在静态情况下的应力应变分布，为轴的设计与制造提供理论依据。

2 ANSYS软件的应用ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁场耦合等分析为一体的通用有限元分析软件，它具有强大的前处理及计算分析能力。

它在机械领域主要用于确定结构在载荷作用下的静力、动力、热等行为，研究结构的强度、刚度以及稳定性等问题。

ANSYS基本分析步骤大致可分为以下3个模块：（1）前处理。

主要步骤包括：建立有限元模型、定义材料属性和实常数、单元划分。

（2）加载求解。

主要包括：定义施加载荷及边界条件、设置求解控制参数、求解。

ANSYS中常见的载荷有位移、集中力、均布力、惯性力、温度等。

（3）后处理。

主要包括：读取结果数据、图形显示结果数据、列表显示结果数据以及进行其他相应后续分析。

3 零件强度分析过程3.1 Pro/E建模根据轴的设计尺寸，利用Pro/E软件建立三维模型图1，保存副本为ACIS文件。

在轴类零件中，为了加工方便或美观要求而设置的凹槽、凸台、过渡圆角及倒角等，在承载过程中对轴的影响很小，在建模过程中可以简化，一般不予考虑。

有限元分析作业作业名称轴类零件静态受力分析姓名学号班级题目：图1上图1为一个轴类零件模型。

板的材料参数为：弹性模量E=200GPa,泊松比u=0.25：此模型在左侧表面施加固定位移约束，在右侧的右侧表面施加20Mpa的局部压力载荷。

题目分析：此题是一个静态的受力分析，没有涉及到温度、膨胀系数之类，属于一个比较简单的受力分析。

用solidworks软件绘制三维模型，并导入到ANSYS中，对其进行材料的设定，网格划分，施加约束、载荷并求解。

分析过程：1.定义单位、文件名、储存路径及标题定义工作文件名:执行File-Chang Jobname-3080611075更改工作文件储存路径：执行File-Chang Directory-D:\ANSYS定义工作标题：执行File-Change Tile-0012.定义分析类型、单元格类型及材料属性a)定义分析类型GUI：Main Menu | Preference,如图2图2b)选择单元格类型考虑到分析实体的结构相对复杂，选用中间节点的四面体单元，solid92，如图3图3c)定义材料属性，如图4图43.建立模型并导入到ANSYSa)在solidworks中建立三维模型（省略），另存为*.x_t格式。

如图5图5b)将上述模型导入到ANSYS执行File-Import—PRAR…—浏览上述模型，如图6图64.网格划分：a)考虑到零件的复杂性，采用智能网格划分，精度为1，其他选项为默认，如图7图7b)划分结果，图8图85.约束加载a)添加位置约束Solution-apply-structural-displacement-on areas（对两小圆孔表面面进行约束），如图9图9b)添加载荷Solution-define load-structural-press-on areas在大圆孔左侧表面施加20Mpa的载荷（压力），如图10图10 图11c)求解Solution-Current LS图解a)位移图解Main Menu: General Postproc -> Plot Results -> Contour Plot-Nodal Solution—Displacement vector sum，如图11图11其中位移最大的节点是2124, 其数值如下图12：2123 -0.10873E-04 0.95816E-07-0.81077E-07 0.10874E-042124 -0.11007E-04-0.54780E-07-0.85639E-07 0.11008E-04图12b)应力图解Main Menu: General Postproc -> Plot Results -> Contour Plot-Nodal Solution—von Mises stress，如图13图13其中应力最大的节点是1400, 其数值如下图14：1399 0.48174E+08 0.92384E+06-0.18997E+08 0.67171E+08 0.59756E+081400 0.48836E+08 0.27616E+06-0.19776E+08 0.68612E+08 0.61105E+081401 0.45827E+08 0.15004E+07-0.18950E+08 0.64777E+08 0.57355E+08图14结论ANSYS具有强大而广泛的分析功能：广泛应用于结构、热、电磁、声学、流体等多物理场及多场相互耦合的线性、非线性问题。

一、Ⅱ轴的静态分析
1、同样建立新的关于Ⅱ轴的新算例；
2、设定材料：根据题目要求，设置Ⅱ轴材料为45钢；
3、夹具的选择：该轴为中间传动轴，轴上有两个键槽，使其与齿轮相连接。

因
此，将一段的键槽进行固定，另一端设定为固定铰链，保证可以绕轴向转动。

4、添加外部载荷：该轴与齿轮连接，在齿轮啮合时会受到齿轮所作用的扭矩，
此处设定为30N.m，同时齿轮自身的重量也会给轴带来一定的压力，此处设定为20N。

5、网格划分；
6、运行该算例，得出应力云图、位移云图及安全系数图解。

设置变形比例为100，应力云图如上图所示。

其中，最大应力为0.04112N/m2，最小应力为0.665e-6N/m2，位置如上图所示。

设置变形比例为100，位移云图如上图所示。

其中最大位移为0.367e-05mm，最小位移为0.000e+00mm，位置如上图所示。

如图所示，安全系数小于1，因此该轴不满足要求，需改进。