传动轴有限元分析概要
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传动轴简介 ppt课件页数:55
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传动轴有限元分析概要页数:10
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基于有限元法的行星齿轮传动系统的动力学分析
基于有限元法的行星齿轮传动系统的动力学分析一、引言行星齿轮传动作为一种重要的传动装置，在工程应用中具有广泛的应用。
其具有结构紧凑、承载能力高、传动效率高等优点，因此在航空航天、机械制造等领域被广泛使用。
然而，在实际应用过程中，行星齿轮传动系统常常面临着各种挑战，如振动、噪声、疲劳等问题。
因此，对于行星齿轮传动系统的动力学行为进行深入研究，对于提高其工作性能具有重要意义。
二、有限元法简介有限元法是一种常用的工程分析方法，可以用来研究结构的应力、变形、振动等问题。
其基本原理是将复杂的结构分割为有限的单元，通过求解各单元内的位移和应力，最终得到整个结构的行为。
有限元法能够较为准确地模拟和分析实际结构的动态响应，因此被广泛应用于行星齿轮传动系统的研究。
三、行星齿轮传动系统的结构及工作原理行星齿轮传动系统由太阳轮、行星轮、内齿轮和行星架等组成。
其中，太阳轮是输入轴，内齿轮为输出轴，行星轮通过行星架与太阳轮和内齿轮相连。
在行星齿轮传动系统中，太阳轮提供动力输入，通过行星轮的转动将动力传递给内齿轮，实现输出轴的运动。
四、行星齿轮传动系统的动力学模型建立1.建立行星齿轮传动系统的有限元模型为了研究行星齿轮传动系统的动力学行为，首先需要建立其准确的有限元模型。
通过考虑行星轮、齿轮、轴承等各个部件的刚度和质量等参数，可以建立行星齿轮传动系统的有限元模型。
2.确定边界条件和加载条件在进行有限元分析之前，需要确定边界条件和加载条件。
边界条件是指限定结构的位移和转角，在行星齿轮传动系统中，常常将太阳轮固定，将内齿轮的运动约束为指定的转速。
加载条件则是指施加在结构上的外部载荷，在行星齿轮传动系统中，可以考虑太阳轮的输入力作用于行星轮上。
五、行星齿轮传动系统的动力学分析1.求解结构的模态特性通过有限元方法可以求解行星齿轮传动系统的模态特性，即结构的固有频率和模态形态。
模态分析可以帮助工程师了解结构的振动特性，以及确定可能的共振问题。
1有限元分析概述
原始设计的缺陷是： 在电阻贴片处的两个 主应变大小几乎一样 但方向相反，导致电 阻的变化相互抵消， 因此几乎没有信号输 出！
• 项目挑战
– 初始设计的扭转变形钢片几乎 没有信号输出，无法实现扭矩
传感
电子助力转向系统
• 解决方案
– 通过结构分析发现原始设计的 缺陷 – 第一次改进设计，效果很好， 但由于结构尺寸过大，基本不 实用 – 经过30多次方案改进，最后获 得了一个非常满意的设计（传 感器电路仿真也在ANSYS里一 起完成）
– 用于F-15飞机的弹射座椅改进设计 – 需要计算在弹射和前向碰撞两种最 大载荷状态下的座椅可靠性
• 项目挑战
– 100多个零部件，模型极其复杂 – 载荷施加非常困难
• 解决方案
– 在Workbench环境下使用 Mechanical软件，利用其双向参数 链接功能输入CAD模型，并自动创 建零部件的装配接触 – 利用Workbench高级网格处理能力 – 利用Workbench先进的加载功能 （如空间质量点、远程等效力等） – 与CAD协同进行结构改进和优化设 计
（3）
式中，F e 和 F e 分别为作用于单元e的结点i和结点j的结点力。 j i 式（3）写成矩阵形式为
xj x i x e L x xi j x e L
(2)
3.单元方程（单元结点位移与结点力的关系） 由等截面杆变形与拉力的关系（虎克定律）得到：
A e E e e e e i j Fi Le e e A E e e e j i Fj Le
最终设计
第一次 改进设计
第一次改进设计的应变分布状态非常良好（基 本上只有第一主应变，其它主应变很小），扭 转引起的电阻变化很大，传感效果好。但结构 宽度太大，无法集成在转向系统中，实用性差
• 项目挑战
– 初始设计的扭转变形钢片几乎 没有信号输出，无法实现扭矩
传感
电子助力转向系统
• 解决方案
– 通过结构分析发现原始设计的 缺陷 – 第一次改进设计，效果很好， 但由于结构尺寸过大，基本不 实用 – 经过30多次方案改进，最后获 得了一个非常满意的设计（传 感器电路仿真也在ANSYS里一 起完成）
– 用于F-15飞机的弹射座椅改进设计 – 需要计算在弹射和前向碰撞两种最 大载荷状态下的座椅可靠性
• 项目挑战
– 100多个零部件，模型极其复杂 – 载荷施加非常困难
• 解决方案
– 在Workbench环境下使用 Mechanical软件，利用其双向参数 链接功能输入CAD模型，并自动创 建零部件的装配接触 – 利用Workbench高级网格处理能力 – 利用Workbench先进的加载功能 （如空间质量点、远程等效力等） – 与CAD协同进行结构改进和优化设 计
（3）
式中，F e 和 F e 分别为作用于单元e的结点i和结点j的结点力。 j i 式（3）写成矩阵形式为
xj x i x e L x xi j x e L
(2)
3.单元方程（单元结点位移与结点力的关系） 由等截面杆变形与拉力的关系（虎克定律）得到：
A e E e e e e i j Fi Le e e A E e e e j i Fj Le
最终设计
第一次 改进设计
第一次改进设计的应变分布状态非常良好（基 本上只有第一主应变，其它主应变很小），扭 转引起的电阻变化很大，传感效果好。但结构 宽度太大，无法集成在转向系统中，实用性差
变速器齿轮轴有限元及动力仿真分析
Ａ ｂ ｔ ａ ｔ Ｃｏ－ｉ ｓｒ ｃ ： ｓｍｕｌｔｏ ｅ ｈ ｄ ｔ ｓｉ ｔ ｈ ａ ｉｕ ｉｅ ｏ ｔ ｉ ｔ ｒ ｅ ａ ｐｅ ｔ ：ｃ ｅ ｉｇ ｔ ｅ ｌ ａ ｕ ｖ ， ａ ｉ ｎ ｍ ｔ ｏ ｏ ｅ ｔｍａ ｅ ｔ ｅ ｆｔｇ ｅ ｌ ｃ ｎ ａｎｓ ｈ ｅ ｓ ｃ ｓ ａ ｃ ｓｎ ｈ ｏ ｄ ｃ ｒ ｅ ｆ ｓｒ ｓ －ｔａ ｅｄ ａ ｄ ｍ ａｅ ｉｌｐａ ａ ｅ ｅ ｓＴｈ ｓ ｐａ ｒ ｉ ｂａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｔ ｏ－ ｉ ｎ ｉ ｎ ｌｄ ａ ｉ ｓ ｕ ｔｅ ｓ ｓ ｒｉ ｆ ｌ ｎ ｔ ｒａ ｒｍ ｔ ｒ ． ｉ ｐｅ ｓ ｎ ｉ ｓ ｄ ｏ ｈ ｗ ｄ ｍｅ ｓｏ ａ ｒ ｗ ｎｇ ｓ ｐｐｌ ｄ ｂ ｉ ｙ ｅ ｅ ｔｒ ｉｅ ｒ ａｅ ａ ｓ ｌ ｏ ｅ ｆｔ ｅ ｐｒｍ ａ ｙ ｅ ｒｓ ａ ｎｄ ｔ ｅ ｈｉｇ ｄ ｉｅ ｅ ｒｂｙ ｓ ｇ ｔ ｒ ｅ ｄｉ ｅ 。 ｎ ｅｐｒｓ ，ｃｅ ｔ ｏｉ ｍ ｄ ｌｏ ｈ ｉ ｃ ｇ ａ Байду номын сангаасｈ ｆ ａ ｈｅ ｍ ｓ ｎ ｒｖ ｎ ｇ ａ ｕ ｉ ｈ ｅ ‘ ｍ ｎ ｄ ｔ ｎ
２１ 年第８ ００ 期
文 章 编 号 ：０ １—２ ６ （ ０ ０） ８—０ ５ １０ ２５２ １ Ｏ ０ ９—０ ４
・ 艺与装备 ・ 工
变 速 器 齿 轮 轴 有 限 元及 动 力 仿 真 分 析
胡祝 田 ， 守许 ， 志 峰 宋 刘
（ 肥工 业 大学 机械 与汽车 工程 学院 ， 合 合肥 ２ ０ ０ ） ３０９
数 据转换 ， 最后 仿 真得 出齿轮 轴 与从 动 齿轮 的载 荷 曲线 ， 与 理论 计 算值 十分接 近 。有 限元 分 析及 动 力 其
仿 真结 果对进 行齿 轮轴 的 疲 劳寿命 预 估提 供 了必 须 的数 据 ， 为进 一 步 来预 测 服 役 齿轮 轴 的 剩余 寿命 有
２１ 年第８ ００ 期
文 章 编 号 ：０ １—２ ６ （ ０ ０） ８—０ ５ １０ ２５２ １ Ｏ ０ ９—０ ４
・ 艺与装备 ・ 工
变 速 器 齿 轮 轴 有 限 元及 动 力 仿 真 分 析
胡祝 田 ， 守许 ， 志 峰 宋 刘
（ 肥工 业 大学 机械 与汽车 工程 学院 ， 合 合肥 ２ ０ ０ ） ３０９
数 据转换 ， 最后 仿 真得 出齿轮 轴 与从 动 齿轮 的载 荷 曲线 ， 与 理论 计 算值 十分接 近 。有 限元 分 析及 动 力 其
仿 真结 果对进 行齿 轮轴 的 疲 劳寿命 预 估提 供 了必 须 的数 据 ， 为进 一 步 来预 测 服 役 齿轮 轴 的 剩余 寿命 有
基于有限元原理的传动轴系扭振分析
具 有 非线性性质 ， 或者几何 形状 比较 复杂 ， 解析 方法就 无 不可 少 的。 法 满 足 需 要 。 为 了解 决 这 类 问题 ， 可 以考 虑 从 两 个 方 法 人 ２ 本文就将传动轴 系扭振分析展开讨论 ２ ． １传动轴系扭振分析计算步骤如 图 １ 。 手。 一种 方 法 是 对 几 何 边 界 和 方程 进 行 简 化 假 设 ， 将 其 简
尤 其 在 机 械 设计 中 ，对 机 构 的动 态 特 征 进 行 分 析 ， 更 少不 了对有 限元的应 用。 而作为机械设计 的主要的能量传 件。 对于 一些几何形状 比较 规则的 问题或性质较 为简 单的 方程 ， 可以采用解析 方法进行 求解 ， 但 是 很 多 问题 的 方程 递 的轴 的设计 ， 为保证 能量传 递 的效 率 ， 对其 的分析 是必
中图分 类号 ： Ｔ Ｈ１ ２ ２
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ： １ ０ ０ ６ — ４ ３ １ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ７ — ０ ０ ３ ７ — ０ ２
０ 引 言
算机辅助设计技术 与优化 设计 的有机结 合。可以预计 ， 在
在 当前 技术和理 论条件 下 ， 人们 通过 各种 方式 ， 掌 握 未来 的科学技术发展 中 ， 有限单元法必将 发挥越来越重要 了技 术 工 程 领 域 内 很 多 物 理 问 题 和 力 学 问 题 的基 本 方 程 的作 用 。 （ 常微分方程或偏微 分方程 ） ， 并且还获得 了相 应 的定解 条
摘要 ： 本 文针对机械设计 中传动轴的的运 动特点与设 计需要 ， 提 出了一种利用有限元原理 ， 对其 实际运作时 因轴 系扭振 而产 生对 轴的磨损 与能量损耗 问题 的解 决办法， 并举一 实例 ， 为传动轴 的合理设计提供 了参考。
尤 其 在 机 械 设计 中 ，对 机 构 的动 态 特 征 进 行 分 析 ， 更 少不 了对有 限元的应 用。 而作为机械设计 的主要的能量传 件。 对于 一些几何形状 比较 规则的 问题或性质较 为简 单的 方程 ， 可以采用解析 方法进行 求解 ， 但 是 很 多 问题 的 方程 递 的轴 的设计 ， 为保证 能量传 递 的效 率 ， 对其 的分析 是必
中图分 类号 ： Ｔ Ｈ１ ２ ２
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ： １ ０ ０ ６ — ４ ３ １ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ７ — ０ ０ ３ ７ — ０ ２
０ 引 言
算机辅助设计技术 与优化 设计 的有机结 合。可以预计 ， 在
在 当前 技术和理 论条件 下 ， 人们 通过 各种 方式 ， 掌 握 未来 的科学技术发展 中 ， 有限单元法必将 发挥越来越重要 了技 术 工 程 领 域 内 很 多 物 理 问 题 和 力 学 问 题 的基 本 方 程 的作 用 。 （ 常微分方程或偏微 分方程 ） ， 并且还获得 了相 应 的定解 条
摘要 ： 本 文针对机械设计 中传动轴的的运 动特点与设 计需要 ， 提 出了一种利用有限元原理 ， 对其 实际运作时 因轴 系扭振 而产 生对 轴的磨损 与能量损耗 问题 的解 决办法， 并举一 实例 ， 为传动轴 的合理设计提供 了参考。
基于ANSYS的传动轴受力分析
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。
轴联接的有限元分析
Ｉ ＳＳＮ ６７１ —２ ０ １ — ９０
采 矿 技 术 第 １ 卷 第 １ ２ 期
Ｍ ｉ ｉ ｇ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ ｎ ｎ ｃ ｎ ｌ ｇ ，Ｖｏ ． Ｎｏ １ １１ ２， ．
ＣＮ ３ １ ４ ／ ４ — ３ ７ ＴＤ
２１ ０ ２年 １月 Ｊ ｎ ２ １ ａ． ｏ２
形， 即键被 压溃 『 。 ２ ］
图 ５ 平 键 的应 力 强 度
３ 结 论
采 用 矿 Ｉ 械 中 的实 例 数据 ， 键轴 联 接 的 接 机 对
图 ３ 有 限 元 网格 和 加载 模 型
触 问题用 ＡＮＳ ＹＳ有 限元 软 件 进 行 静 力 分 析 ， 到 得 键和键 槽 接触 面上 的接 触 应 力 大 小 及 变形 趋 势 ， 为
有 限元 网格 和加载 模型 如 图 ３所示 。
的 ２个侧 面 与轴 的键 槽 侧 壁 接 触 ， 过 挤 压 来传 递 通
原 动机 的扭矩 。上 下 和前后 ４个 工作 面则 为非 工作 面 。选 用 接 触 单 元 Ｔ ｒ ｅｌ ０和 Ｃ ｎａｔ７ ａｇ ｔ７ ｏ ｔｃ１ ４在 键 和键槽 接触 工作 面 建 立接 触 对 ， 以 比较 精 确 地模 可
本文 以矿 山某 型号 潜孑 钻机 回转 头传 动轴 的普 Ｌ
通平键 联 接 为例 ， ＡＮ ＹＳ有 限元 软 件 进 行 应 力 用 Ｓ 计算 ， 对键 和键 槽 的接 触进行 探讨 分 析 ， 为其校 核 和
设计 选型 提供 依据 。
图 ２ 有 限 元 三 维模 型
表 １ 材 料 参 数
轴 联接 的齿 轮或 联轴 器等 部件 。其 中键 联接 是 主要
的联 接 形式 ， 其应 用 主要有 ２ 方 面 ： 是应 用 于机 个 一
采 矿 技 术 第 １ 卷 第 １ ２ 期
Ｍ ｉ ｉ ｇ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ ｎ ｎ ｃ ｎ ｌ ｇ ，Ｖｏ ． Ｎｏ １ １１ ２， ．
ＣＮ ３ １ ４ ／ ４ — ３ ７ ＴＤ
２１ ０ ２年 １月 Ｊ ｎ ２ １ ａ． ｏ２
形， 即键被 压溃 『 。 ２ ］
图 ５ 平 键 的应 力 强 度
３ 结 论
采 用 矿 Ｉ 械 中 的实 例 数据 ， 键轴 联 接 的 接 机 对
图 ３ 有 限 元 网格 和 加载 模 型
触 问题用 ＡＮＳ ＹＳ有 限元 软 件 进 行 静 力 分 析 ， 到 得 键和键 槽 接触 面上 的接 触 应 力 大 小 及 变形 趋 势 ， 为
有 限元 网格 和加载 模型 如 图 ３所示 。
的 ２个侧 面 与轴 的键 槽 侧 壁 接 触 ， 过 挤 压 来传 递 通
原 动机 的扭矩 。上 下 和前后 ４个 工作 面则 为非 工作 面 。选 用 接 触 单 元 Ｔ ｒ ｅｌ ０和 Ｃ ｎａｔ７ ａｇ ｔ７ ｏ ｔｃ１ ４在 键 和键槽 接触 工作 面 建 立接 触 对 ， 以 比较 精 确 地模 可
本文 以矿 山某 型号 潜孑 钻机 回转 头传 动轴 的普 Ｌ
通平键 联 接 为例 ， ＡＮ ＹＳ有 限元 软 件 进 行 应 力 用 Ｓ 计算 ， 对键 和键 槽 的接 触进行 探讨 分 析 ， 为其校 核 和
设计 选型 提供 依据 。
图 ２ 有 限 元 三 维模 型
表 １ 材 料 参 数
轴 联接 的齿 轮或 联轴 器等 部件 。其 中键 联接 是 主要
的联 接 形式 ， 其应 用 主要有 ２ 方 面 ： 是应 用 于机 个 一
基于Simulation传动轴的分析与研究
基于Simulation传动轴的分析与研究摘要：轴是组成机器的主要零件之一，一切作回转动运的传动零件都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递，传动轴在初步设计后，必须要经过复杂的的数学验证，这样的计算在对于轴的材料选择有好几种时显得更是繁琐。
如今利用Solidworks中的Simulation 有限元分析软件对其首先进行静力学分析，在传动轴满足应力分析后再对其进行疲劳寿命分析。
经过分析，在实际应力加载下，传动轴完全满足应力强度，其寿命也是完全满足设计要求。
关键词：传动轴；Simulation；疲劳分析1.传动轴的静力学分析1.1 传动轴有限元模型的建立传动轴材料选取合金钢，其弹性模量210GPa，泊松比0.28，屈服强度620MPa。
在Solidworks软件中建立传动轴三维模型，并利用solidworks中simulation模块分析，进行网格划分，得到有限元模型图，单元格尺寸为25.4941mm，划分得到网格单元数为20625个，自由节点数为31008个。
图1为传动轴的有限元模型。
图1 传动轴的有限元模型1.2载荷及约束的加载此副轴在正常工作是由键传动驱动力，故在轴的左端键槽两侧施加固定几何体约束，在轴承安装位置施加轴承支撑，并在键槽位置施加向下的压力F=67.56KN用以产生竖直方向上的弯矩；在键槽侧面施加F=185.62KN的力用以产生扭矩和水平方向的弯矩。
图2 为载荷及约束的加载情况。
图2 载荷及约束的加载1.3分析结果上述操作完成后，对该传动轴分析计算得到如图3所示的结果。
应力结果总位移结果图3 传动轴的静态分析结果由图3可知，除了键槽部分产生应力集中以外，其值为249MPa，其余地方的应力均较小。
传动轴最大变形为0.3mm，完全满足传动要求。
2.传动轴的疲劳分析选择随机交互应力，采用对等应力计算交替应力，设置疲劳强度缩减因子为0.9，S-N曲线采用基于ASME奥氏体钢曲线。
载荷周期设置为106，载荷类型选择LR=0，运行计算结果如图4所示。
基于ANSYS有限元的复合材料传动轴失效分析
碳纤维复合材料由于较高的比强度和比模量以及较小的密度，在航空航天领域已经得到了广泛应用，可以利用碳纤维复合材料这种可变的性能参数来满足不同的使用性能要求。
传动轴是复合材料的一个重要应用方面，目前在航天飞机、高性能汽车以及特殊用途的机械中得到了广泛应用。
复合材料的抗拉和抗压性能较好，而复合材料结构设计标准的不足或日常维护不当常常成为制约复合材料有效应用的重要因素。
因此，对复合材料结构进行有限元数值并基于此的失效分析研究具有较大的工程应用价值。
基于复合材料基础应用理论，该文针对某小型飞机碳纤维复合材料传动轴的几何尺寸及受力特性，通过合理简化结构模型、运用刚体约束技术和适当施加边界条件及载荷，通过A NSYS软件对该复合材料传动轴进行直接建模并分析了该传动轴在设定扭矩下的特性，获得该复合材料传动轴的位移、应力云图，并对该传动轴的应力失效和应变失效进行分析。
1 复合材料传动轴有限元模型的建立该型飞机复合材料传动轴结构，是由玻璃纤维或环氧树脂基体制成的碳布组成的。
环氧树脂基体可以保护纤维，并转移分布在纤维上的载荷。
每层材料都由不同的正交各向异性材料构成，并且其主方向也各不相同。
对于叠层复合材料，纤维的方向即决定了层的主方向。
对于该传动轴结构来说，共由10个铺层组成，从第一层到第十层的铺角分别为-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°。
该轴所受扭矩为2 000 N ·m，其材料常数如表1所述。
①基金项目：SR 20飞机复合材料结构修理的工程分析及验证方法研究(项目编号：J2015-54)。
作者简介：王凯（1984—），男，汉，河南荥阳人,硕士研究生，现任中国民航飞行学院洛阳分院工程师，从事航空器工程技 术管理工作。
叶年江（1972—），男，汉，河南南召人,本科,现任中国民航飞行学院洛阳分院机务部副主任、工程师，从事航空维 修管理工作。
传动轴设计与分析报告
传动轴设计与分析报告传动轴设计的基本原理是根据传动需求和传动系统参数来确定传动轴的尺寸和材料。
一般来说，传动轴应该具有足够的强度和刚度，以承受传递的功率和扭矩，并能减小振动和噪声。
此外，传动轴的材料选择也需要考虑其强度、耐磨性和耐腐蚀性等因素。
传动轴设计的过程包括以下几个步骤。
首先，确定传动系统的传动比、功率和转速等参数。
然后，根据传动系统的传动类型（如平行轴、直角轴、同步带等），选择合适的传动轴结构形式。
接下来，根据传动轴所承受的力和扭矩计算传动轴的尺寸。
最后，选择合适的材料，并进行传动轴的组装和安装。
传动轴设计时需要考虑的因素较多，如传动轴的强度、刚度、振动和噪声等。
传动轴的强度计算可以通过应力分析来完成。
根据传动轴的材料和力的作用方向，计算轴上各处的应力值，并与材料的屈服强度进行比较，以确保传动轴的强度满足要求。
传动轴的刚度计算通常通过转子动力学分析和有限元分析完成，以评估轴的刚度是否满足传动系统的要求。
传动轴的振动和噪声问题是传动系统设计中需要重点考虑的因素之一。
传动轴的振动会对系统的运行稳定性和传动效率产生不利影响，并且会加速传动轴的疲劳损伤。
因此，在传动轴设计过程中需要进行振动分析和动力学仿真，以提前预测和减小传动轴的振动和噪声水平，从而保证传动系统的正常运行。
除了设计方面，传动轴的分析也是非常关键的。
传动轴的分析可以通过故障诊断和状态监测方法来实现。
通过对传动轴的振动、声音和温度等参数进行监测和分析，可以及时发现传动轴的异常情况，预测可能发生的故障，并采取相应的维修和保养措施，以延长传动轴的使用寿命。
综上所述，传动轴设计和分析是机械传动系统设计中不可缺少的一部分。
合理的传动轴设计可以保证传动系统的正常运行和高效工作，同时也可以延长设备的使用寿命。
因此，在实际工程中，我们需要根据传动需求和传动系统参数，采用合适的设计原理和分析方法，进行传动轴的设计和分析，以确保传动系统的稳定性、可靠性和高效性综上所述，传动轴的设计和分析是机械传动系统设计中不可或缺的一部分。
基于ANSYS的轴类零件有限元静力学分析
基于ANSYS 的轴类零件有限元静力学分析马超（山东科技大学 交通学院，车辆工程2011-1）前言轴向受弯扭的杆件在工程中的应用非常广泛。
齿轮减速器中的齿轮轴承受扭矩的作用，如果扭矩过大，或者轴过于细长，则有可能突然变弯，发生稳定失效。
有限元法是利用电子计算机进行数值模拟分析的方法。
ANSYS 软件作为一款功能强大、应用广泛的有限元分析软件，不仅具备几何建模的模块，而且也支持其他主流三维建模软件接口，目前在工程技术领域中的应用十分广泛，其有限元计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。
文章在基于有限元分析软件ANSYS 的基础上对轴的承载特性进行了分析。
摘要：介绍应用ANSYS 软件分析轴类零件在扭转载荷压力作用下发生形变量和应力分布的情况。
关键词：载荷；轴；ANSYS一 问题分析求解下图为一轴类零件结构示意图。
该零件在两个滚动轴承处受到轴向和径向约束，左侧键槽侧面受到6000N 的均布载荷，右侧键槽侧面受3000N 的均布载荷。
模型材料为钢材料，弹性模量为a MP 11102 ，泊松比为0.3。
作出等效应力图和变形图，并进行强度分析。
二轴有限元模型2.1建立轴零件有限元模型轴为左右对称结构。
在Siemens UG NX8.5中建立该轴三维模型，通过接口导入ANSYS中。
该载荷轴采用Tet 10node 187单元。
此单元是一个高阶3维20节点固体结构单元，每个节点有3个沿x、y和z方向平移的自由度，具有二次位移模式，主要适用于位移、变形等方面。
如果要求精度高，可较好地剖分；如果要求精度不高，由于单元本身是高阶单元，使用稍微弱一点的网格也可行，能够用于不规则形状，且不会在精度上有任何损失。
2.2网格划分网格划分的过程就是结构离散化的过程，通常轴模型划分的单元越多越密集，就越能反映实际结构状况，计算精度越高，计算工作量越大，计算时间增长。
由于轴结构属于局部不规则几何体，因此采用自动划分法进行网格划分。
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汽车结构有限元分析研究报告姓名：班级：学号：盐城工学院汽车工程学院传动轴有限元分析研究报告盐城工学院汽车工程学院车辆工程专业江苏，盐城226000摘要：ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，computer Aided design）软件接口，实现数据的共享和交换，如,Alogor, I－DEAS,CAD等。
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软件来汽车曲柄连杆机构行分析。
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。
关键词：三维建模，曲柄连杆机构，有限元，ANSYS，动静态分析引言随着发动机强化指标的不断提高，曲柄连杆机构的工作条件更加复杂。
在多种周期性变化载荷的作用下，如何在设计过程中保证曲柄连杆机构中的主要部件曲轴具有足够的疲劳强度和刚度及良好的动静态力学特性成为机构设计中的关键性问题[3]。
由于在实际工况中曲轴承受活塞、连杆传递的爆发压力的交变载荷作用，受力情况极其复杂。
采用传统的单纯有限元分析方法，很难完成对曲轴运行过程中动态变化边界条件的描述[4-5]。
为了真实全面地了解曲轴在实际运行工况下的力学特性，本课题通过运用CAD软件建立曲柄连杆机构各组成零件的几何模型，确定机构的质量特性参数，通过有限元分析软件Hyperworks和MSC.Nastran的联合仿真，对曲轴和连杆进行自由模态分析，输出振型和频率，将生成的模态中性文件导入ADAMS/View中建立曲柄连杆机构的多柔体动力学模型，应用durability 模块仿真分析曲轴和连杆在爆发压力和惯性力作用下的疲劳应力，由此可以清楚地了解曲轴和连杆在工作过程中各部分的应力，应变，迅速找到危险部位，为机构的优化设计奠定基础。
曲柄连杆机构有限元分析研究报告曲轴的有限元模型的建立曲轴结构形状复杂，在实际工作中，为了减少应力集中，曲轴不同截面的结合处都有半径较小的倒角，同时为了实现曲轴和轴承间的润滑，曲轴上布置了许多油孔。
在对曲轴进行简化过程中，考虑到倒角和油孔对整体结构动力学影响较小，故在对曲轴进行离散生成柔性体之前将这些几何特征抑制掉。
用鼠标左键点选Pro/E菜单栏中的【文件】/【保存副本】命令，便出现保存副本的对话框如图。
系统默认的【文件类型】为【零件】，将文件输出的格式更改为【IGES】，选择保存路径为G盘下，输入文件名称prt0001，单击【确定】按钮。
此时出现【输出IGES】的对话框，系统默认为【曲面】，将其更改为【实体】，如下图所示。
单击【确定】按钮，将完成Pro/E输出文件的保存。
启动ANSYS，在ANSYS菜单栏中，单击【File】/【Import】/【IGES】,将出现一对话框，单击【OK】按钮,便出现如图所示的【Import IGES File】对话框。
单击【Browse】按钮，出现文件打开对话，选择文件路径G：\prt0001.igs，单击【打开】按钮，便回到【Import IGES File】对话框，单击【OK】按钮即可将实体模型调入ANSYS软件，最终生成的有限元模型如图所示。
在调入ANSYS之前，考虑到计算分析的需要，在不影响分析结果的前提下，对连杆实体模型稍微作了简化处理，例如将不关键的小圆角、小倒角删去，这样将使得结构有限元结点数和单元数目减少许多，提高计算速度。
单元选择及网格划分有限元分析的基础是单元，所以，在有限元分析之前必须将实物模型划分为等效节点和单元。
在ANSYS 单元库中有100 多种不同类型的单元，不同的单元类型决定单元的自由度、代表不同的分析领域，单元是属于二维空间还是三维空间等特性。
本文采用有限元接触分析属于非线性分析，运算量庞大，为提高运算速度，要求参与运算的节点和单元应尽可能少，但为了保证计算精度，模型网格应小到足以表述出模型的形状，否则，过粗的网格会造成较大的误差。
在有限元分析中，单元类型的选择和网格划分的精细程度决定了分析结果的准确性。
一般情况下，单元类型应尽量选择六面体和五面体，避免使用不稳定的四面体单元，这样有利于提高计算精度。
但是，连杆装配体形状很不规则，不满足六面体和五面体映射划分(mapped meshing)的拓扑结构，故选择四面体单元Solid92，采用ANSYS 自带的自由网格划分（Free meshing）方式对模型进行网格划分。
Solid92是三维10 节点四面体单元，具有二次位移（quadratic displacement）特性，适合于不规则几何体的网格划分，其每个节点有三个自由度，分别为x y z 三方向的位移。
发动机连杆有限元模型的网格化分实体模型建立后，要进行有限元分析，需要将实体模型转化为能够直接计算的网格，这种转化叫做网格划分。
再对模型进行网格划分之前，甚至在建立模型的阶段，就应同步考虑网格划分的问题，如网格划分单元属性、网格划分类型、网格划分方式、网格密度、单元形状等。
（1）定义单元类型。
在有限元分析过程中，对于不同的问题，需要应用不同特性的单元，同时每一种单元也是专门为有限元问题而设计的。
因此，在进行有限元分析之前，选择和定义适合自己问题的单元是非常必要。
单元选择不当，直接影响到计算能否进行和结果的精度。
为适应不同的分析问题，ANSYS提供了一百多种不同的单元类型。
从普通的点单元、线单元、面单元、体单元到特殊的接触单元、间隙单元和单元坐标系等。
单击【Main Menu】/【Preprocessor】/【Element Type】/【Add/Edit/Delete】,将出现一对话框。
点击【Add】进行添加，如图所示。
点击【Solid】/【10node 92】,确认【OK】，关闭【Element Type】对话框即完成单元类型的定义。
（2）定义实常数。
在进行单元特性分析时，有些单元数据可能无法从节点坐标系或材料特性中得到，这时就要定义实常数，以提供单元特性计算时使用。
常见的实常数包括厚度、横截面、高度等。
实常数的设置是依赖于单元类型的，如BEAM单元的横截面特性、SHELL 单元的厚度设置等。
对于Solid类型中的10node 92,不需要设置实常数。
（3）定义材料特性。
常见的材料特性包括：弹性模量、泊松比、密度、比热、热膨胀系数等。
每种材料特性都可以为温度的函数，可随温度的变化而变化。
材料特性的定义可以分为两个大类：线性材料定义和非线性材料定义。
单击【Main Menu】/【Preprocessor】/【Material Props】/【Material Models】,将出现一对话框，如图所示。
双击【Structural】/【Linear】/【Elastic】/【Isotropic】,即可出现一对话框如图4.7所示。
将材料的弹性模量和泊松比填入空格，即可完成材料属性的定义。
点击【Main Menu】/【Preprocessor】/【Meshing】/【MeshTool】,打开网格划分工具对话框。
选择自由划分，即点中Smart Size，在【Smart Size】中选中划分精度为“6”，然后单击【Mesh】, 便出现一个拾取框，单击【Pick All】按钮，至此，网格划分完成，如图所示。
位移边界条件边界条件的选取是分析的重要环节，其选取正确与否，不仅影响计算精度，而且对非线性分析还将影响运算是否收敛[8]。
不合理的边界条件可能使计算失败，导致计算不出结果。
对一个自由体，结构本身无约束，仅有自相平衡的外力，是无法求出定解节点位移，所以对于分析模型，要对某些节点的自由度加以限制。
本文分析模型是按如下方法进行约束：为限制模型在z 轴方向的刚体运动，在模型上半部分选几个点上加z方向上的约束；为限制模型在x轴方向的刚体运动，在模型的上半部分选几个点加x方向的约束，为限制整个分析模型在y轴方向的刚体运动，完全限制连杆大头内表面的自由度。
位移约束的操作单击【Main Menu】/【Solution】/【Define Loads】/【Apply】/【Structural】/【Displacement】/【On Areas】如图,将出现一对话框，如图所示。
此时，鼠标将变为向上的箭头进行选面，面被选中后将变亮。
对于该机体，选取连杆大头内120度的下表面施加位移约束，选中后,单击对话框中的【OK】，将自动弹出一新的对话框，如图所示。
选中【All DOF】,点击【OK】。
连杆大头被加全约束。
然后，再单击【Main Menu】/【Solution】/【Define Loads】/【Apply】/【Structural】/【Displacement】/【On Areas】选择大头孔和小头孔的四个外圆面，施加Z方向的位移约束。
加上后得道如图4.12所示图形。
载荷处理载荷可以直接施加在几何模型上，如点、线、面和体，同时也可以施加在有限元模型上，如单元和节点。
若载荷施加在有限元模型上，ANSYS在求解之前会自动将这些载荷转换到相应的节点和单元上。
连杆在工作时，承受周期性变化的外力作用。
其主要由两部分组成：一是经活塞顶传来的燃气爆发力，对连杆起压缩作用，二是活塞连杆组高速运动产生的惯性力，对连杆起拉伸作用；在分析时，认为最大燃气爆发力和惯性力均在上止点附近出现，俩者可以叠加。
另外，还有连杆小头所装的衬套、大头所装的连杆瓦作用在孔径上的过盈力，及连杆螺栓预紧力所产生附加载荷。
用有限元法可对连杆在整个7200循环中进行动态分析，会得到理想的结果，但计算过程过于复杂。
因连杆破坏大都是拉、压疲劳断裂所致。
故计算时选择了连杆在受最大拉力和最大压力这两种极端情形来计算应力的分布情况。
这样既能得到两个最危险受力工况下的应力和变形的分布情况，又能满足工程设计要求，实现计算简便，节省机时[9]。
结果分析：本文以195型柴油机连杆为研究对象，按照连杆的实际工作情况，同时考虑活塞销、曲轴连杆轴颈对连杆的影响，利用三维造型软件PRO/E 建立连杆三维有限元分析模型。
(1)建立连杆小头和大头的模型 (2)按标准尺寸创建杆身 (3)按标准尺寸对杆身和大小头连接处导圆角 (4)按标准尺寸创建小头孔 (5)按标准尺寸创建连杆大头孔 (6)按标准尺寸创建连杆工字形杆身 (7)按标准尺寸创建连杆大头螺栓座然后把连杆模型导入有限元分析软件ANSYS 中，取高阶四面体单元SOLID92，划分有限元网格；在有限元模型上加约束，加载最大拉力进行有限元分析，找出有限元模型的位移变形图和平均等效应力图，得出结论；接着再分析受最大压力时连杆的位移变形图和平均等效应力图。