基于有限元的传动轴疲劳可靠性分析

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1、基于有限元的传动轴疲劳可靠性分析　　DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.135　　摘要：?鞫?轴是机械行业中广泛应用的重要零部件，具有传递扭矩的功能。该文通过ANSYS软件对某型传动轴进行有限元分析，得到传动轴所受的应力分布情况，结合疲劳理论对材料的疲劳寿命S-N曲线进行修正，计算传动轴在不同工况下的疲劳寿命。通过应力-强度干涉模型，得到各工况下传动轴的疲劳可靠度。　　关键词：传动轴疲劳可靠性有限元　　中图分类号：U463文献标识码：A文章编号：1674-098X（2017）04（b）-0135-05　　轴类

2、零件广泛应用于各种机械行业中，它在机器中起着支承其他零件，传递运动和力矩的作用[1]。轴按其所受的载荷情况，可以分为转轴（同时受弯矩和扭矩）、传动轴（只受扭矩）和芯轴（只受弯矩）3种[2]。作为传递力矩的重要零部件，若传动轴发生断裂，常常会直接导致机器功能丧失。零部件长期受到随机、不连续且远低于材料强度极限的交变载荷作用时，会发生疲劳破坏，根据国外的统计，机械零件的破坏，实际有50%～90%为疲劳破坏[3]。　　该文基于大型有限元软件ansys，建立传动轴的有限元模型，判断其受力最大的薄弱位置和所受应力大小，根据材料的S-N曲线和实际工况，修正S-

3、N曲线以获得材料的强度，对传动轴所受应力和材料强度正态分布，采用应力-强度干涉模型，得到传动轴的疲劳可靠度。　　1应力-强度干涉模型　　应力-强度干涉模型假定零件所受的工作应力和材料强度都符合某种分布状态，两个分布不发生干涉的部分，可表示为：　　为强度大于应力的概率，也即零件的可靠度。而应力和强度的分布发生干涉的部分，如图1的阴影部分所示，即材料的失效率。　　当知道了零件的工作应力和材料强度的分布函数，可通过数值积分法或蒙特卡罗法求出干涉区间的大小，从而得到材料的失效率和可靠度。　　2有限元分析　　有限元分析方法是一种将连续物体离散化为若干单元，通

4、过建立单元节点力和节点位移之间的关系，完成整体方程的求解，从而得到连续物体的受力分析的方法[4]。　　2.1计算模型的选择　　算例选择的传动轴长度为70mm，轴的一端为一切削了部分平面的球形件，球体半径为4.3mm，另一端为直径10mm的轴，其上有直径为4mm的销孔，10mm的轴与球体相连部分为22mm长、直径为6mm的轴。　　在ansys中建立实体模型，得到的传动轴几何模型如图2所示。　　2.2建立有限元模型，绘制应力分布图　　单元分析类型选用solid185单元，该单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度，单元具有超弹性

5、、蠕变、大变形和大应变能力，满足算例的分析要求。零件材料为1Cr17Ni2，工作温度为450℃，该温度下材料的弹性模量为159GPa，泊松比为0.3。　　单元尺寸大小设为0.5mm，划分为自由四面体网格，得到的有限元模型如图3所示。　　轴零件所受的载荷为扭矩，扭矩的添加可通过建立一主节点，将主节点与球形部件表面节点相耦合，通过对主节点施加扭矩完成对轴零件的载荷施加；在销孔内表面施加位移和角度约束。完成后得到的应力分布如图4所示。　　2.3最大应力位置选取　　零件的几何形状发生变化的位置，通常是零部件的应力集中部位，是疲劳分析的重点部位，疲劳裂纹常常

6、出现在这些部位，后逐渐扩张直至零件断裂。因此对该轴几何形状发生变化的部位，如图5所示，给予重点关注。　　位置1是直径10mm轴上的直径为4mm的销孔内表面，位置2是直径为6mm的轴与直径10mm的轴相连接的部位，位置3是直径为6mm的轴与半径4.3mm的球相连接的部位，位置4是球体表面。　　对这4个位置，分别取其节点最大等效应力，得到的结果整理为表1。　　分析结果说明，该轴受到扭矩作用时，其最大等效应力位于直径6mm的轴与直径10mm的轴相交的部位，因此选取该最大应力集中点处，进行疲劳分析。　　3修正S-N曲线　　3.1材料的S-N曲线　　材料在某

7、一对称循环载荷作用下直到其发生破坏停止，材料所受的循环次数，定义为材料的疲劳寿命。将材料在该循环载荷作用下所受的循环应力与循环次数之间的关系用曲线描述，就是S-N曲线（疲劳寿命曲线）[5]。　　根据资料，查到轴的材料1Cr17Ni2锻件在233℃下的疲劳寿命试验数据，如表2所示。　　疲劳寿命通常满足曲线，等式两边取对数后，得到，做拟合曲线，得到的数据如图6所示：　　拟合直线为：，其中，。因此拟合出的疲劳寿命曲线为：。　　根据拟合出的疲劳寿命曲线，得到疲劳寿命与相应的应力值，如表3所示。　　3.2修正S-N曲线　　3.2.1载荷形式的影响　　上述得到

8、的S-N曲线为材料在施加旋转弯曲载荷后得到的实验数据，而该传动轴在实际工作中所受的载荷形式为扭转，因此需要根据载荷形式对S