复杂载荷作用下的传动轴结构强度分析与优化设计

《复杂载荷作用下的传动轴结构强度分析与优化设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、《现代设计技术》课程任务学号：29现代设计技术题目:传动轴的强度分析与优化设计学院:机电工程学院专业:机械工程班级:机械1304班姓名:指导老师:2《现代设计技术》课程任务2016-06-202《现代设计技术》课程任务目录1问题描述21.1CAD模型简述21.2模型受力情况分析22有限元模型的建立32.1单元类型的选择及依据32.2模型材料属性42.3模型前处理52.4模型网格划分62.5建立刚性区域73有限元模型的加载93.1模拟轴承约束的施加93.2模型施加径向载荷94传动轴的优化设计1119《现代设计技术》课程任务5课程总结15复杂载荷

2、作用下的传动轴结构强度分析与优化设计1问题描述1.1CAD模型简述作为机械传动中的常见部件，传动轴通过连接键连接左右传动齿轮。由于齿轮啮合作用力效果，传动轴往往受到弯扭组合变形作用，受力情况复杂。传统的材料力学知识对于上述复杂载荷作用下的传动轴结构强度分析很困难，相对于轴上的键槽、轴肩等辅助定位和安装的微细结构都无法考虑，这就需要借助有限元软件对上述结构及相关细节进行进一步的强度分析。传动轴模型CAD示意图如图1所示，相关尺寸如图2所示。图1传动轴三维模型传动轴总体长度427mm，各细节尺寸如图2所示。19《现代设计技术》课程任务图2传动轴尺

3、寸示意图1.2模型受力情况分析传动轴两端键槽通过连接键与传动齿轮连接，这里大键槽受径向力作用，作用力大小2KN，小键槽受径向力作用，作用力大小3KN，作用在两端的转矩大小为为2KN/m。2有限元模型的建立通过import命令导入上述传动轴模型文件，导入模型如图3所示。19《现代设计技术》课程任务图3导入模型示意图2.1单元类型的选择及依据由于这里的传动轴属于三维实体模型，故需要采用三维单元类型对模型进行定义。SOLID186单元是一个高阶3维20节点固体结构单元，SOLID186具有二次位移模式可以更好的模拟不规则模型，尤其针对传动轴的键槽、

4、轴肩等特征。该单元通过20个节点来定义，每个节点有3个沿着xyz三个方向平移的自由度，并具有任意的空间各向异性，支撑塑性，超弹性，蠕变，应力钢化，大变形，大应变能力。19《现代设计技术》课程任务图4SOLID186单元示意图图5选择SOLID186单元2.2模型材料属性该阶梯轴采用40Cr材料，材料参数：弹性模量，泊松比0.3。19《现代设计技术》课程任务图6模型材料定义2.3模型前处理为给模型施加扭矩，需要在键槽端面中心建立节点，通过定义mass21cering命令跟其他受力节点耦合，从而形成刚性区域。扭矩作用施加在该节点上。图7定义质量点

5、单元为模拟轴承对传动轴的支撑约束作用，通过在X方向平移0.16m,0.12m平面对传动轴进行切割操作，切出一个环状结构。19《现代设计技术》课程任务图8轴承部位模型处理2.4模型网格划分设定网格划分属性如图9所示，设定网格划分为自由网格划分，并利用四面体单元对其进行划分。19《现代设计技术》课程任务图9网格划分属性设置最终得到模型网格划分情况如图10所示。图10网格划分情况最终得到传动轴单元节点数目为67259，模型单元数44504。19《现代设计技术》课程任务2.5建立刚性区域对传动轴端面建立刚性区域，如图11。图11耦合区域节点示意图图1

6、2耦合区域示意图19《现代设计技术》课程任务图13耦合区域示意图3有限元模型的加载3.1模拟轴承约束的施加限制轴承作用区域YZ方向载荷，约束情况如图14。19《现代设计技术》课程任务图14约束模型上述区域YZ方向位移3.2模型施加径向载荷为键槽节点施加径向力，力大小分别为2KN（大键槽），3KN（小键槽）。施加效果如图16所示。19《现代设计技术》课程任务图15为传动轴键槽施加径向载荷图16键槽载荷施加情况19《现代设计技术》课程任务各面载荷约束情况如图17所示。图17面载荷施加情况4传动轴的优化设计通过ANSYS后处理模块查看模型变形情况如

7、图18所示。19《现代设计技术》课程任务图18传动轴整体变形情况可以看出，传动轴最大变形量为9.34429mm，作用在传动轴大键槽一段，即扭矩作用端。由于轴承作用效果，轴承作用处传动轴变形量为0。通过ANSYS后处理模块查看模型应力分布情况如图19所示。19《现代设计技术》课程任务图19传动轴等效应力分布云图从图中可以看出，模型应力主要分布在键槽及传动轴大键槽端，最大应力为6.58MPa，小于40Cr材料许用应力211MPa（许用应力：机械设计或工程结构设计中允许零件或构件承受的最大应力值。要判定零件或构件受载后的工作应力过高或过低，需要预先

8、确定一个衡量的标准，这个标准就是许用应力。凡是零件或构件中的工作应力不超过许用应力时，这个零件或构件在运转中是安全的，否则就是不安全的。许用应力是机械设计和工程结构