對上料拉鋼臺架的典型零部件—“軸”的有限元分析

（內江職業技術學院，四川內江,641100）

對上料拉鋼臺架的典型零部件—“軸”的有限元分析

蒲珊珊,向六昭,劉明生,鄧立群

（內江職業技術學院，四川內江,641100）

在上料拉鋼臺架系統中，有電機、鏈條、鏈輪、傳動軸等多種機械傳動部件。但是，在這些傳動部件當中，又以傳動軸的受力最為復雜，工作環境最為惡劣。所以，采用ANSYS軟件對該系統中的典型零部件“軸”進行分析。在該系統的四段主傳動軸中，又以“軸I”的受力最大，如果強度不足的話，會首先受到破壞。因此，本文對上料拉鋼臺架系統的“軸I”的受力和應力分布進行有限元分析。

傳動軸；ANSYS軟件；有限元分析

1 ANSYS軟件簡介

ANSYS軟件是現代大型通用有限元軟件，從開發出來至今，ANSYS公司相繼收購了ICEMCFX等一批在各自領域著名的有限元分析軟件，使得ANSYS集合了結構、熱分析、電場、流體、磁場和聲場為一體，各個領域的接口逐漸完善，相互之間的耦合作用日益成熟。

ANSYS Workbench作為ANSYS公司推出的前后處理和軟件集成工作平臺，其更加人性化的操作使得網格劃分、約束加載和后處理都極為方便快捷。由于本課題分析對象尺寸較大，形狀復雜，且流固耦合對網格劃分質量的要求較高，網格劃分較困難。

ANSYS Workbench一直在不斷更新，到2013年已更新到發布的ANSYS14.0。這當中最具代表性的當屬ANSYS Workbench12.0，ANSYS Workbench12.0主要有以下特點：

1) DesignModeler(DM)模塊與所有主流CAD系統之間的雙向參數鏈接，從其他CAD軟件導入復雜實體模型方便，此外修改簡化模型也方便快捷；

2) 統一劃分多物理場網格，對每個物理場都有極強的分析能力（如結構、流體等），通過鼠標拖拽操作即可完成的復雜多物理場耦合分析；

3) 自動探測裝配體的接觸關系，仿真技術廣泛，仿真向導系統完整；

4) 通過項目視圖功能讓用戶一目了然地了解工程數據與工程意圖之間的關系、項目的狀態等多種工程信息，且可重復使用項目流程，廣泛的、跨所有物理場的項目級參數管理；

5) 用戶可以通過API和腳本語言支持的自適應架構非?？焖俚募砷_發各種新的應用程序和第三方軟件系統；

6) DesignXplorer（DX）模塊拓展了ANSYS Workbench參數分析功能。利用其DOE和響應面提供了SDPD仿真驅動設計所需的所有信息，獲得產品性能與設計參數之間的關系，利用集成的設計點分析能力完成What-if研究。

7) ANSYS Workbench有限分析流程

8) 將其他三維建模軟件中的幾何實體模型經過處理導入到Design Modeler（DM）模塊中，或直接在ANSYS Workbench的DM環境下建立有限元模型，然后按照ANSYS Workbench中分析類型的向導進行前處理、求解和后處理三個階段的工作完成相關分析。

9) 在前處理階段主要對結構機型離散化處理，即對有限元模型劃分網格。這個階段里，將復雜的幾何實體離散為有限的互不重疊僅通過節點連接的標準有限元單元，將原始的邊界條件轉化為單元節點處的邊界條件。

10) 求解階段就是利用有ANSYS的求解器進行求解的過程，目的是求出工程問題的近似解，在此階段中需要對模型進行設置相關約束、載荷等邊界條件和求解設置。

11) 后處理階段是在求解出結果后，采集處理分析結果數據，利用計算機的圖形顯示功能將計算結果通過圖像顯示。

2 “軸I”的三維模型

由于在ANSYS中建模效率較低，而在三維建模軟件中建模則效率較高。因此，選用Solidworks 2012作為建模軟件建立“軸I”的三維模型如圖1所示。在建模過程中，忽略對軸的結構強度無影響的倒角。

3 “軸I”的有限元分析

在建立如圖1所示“軸I”的三維模型后，需要進行數據轉換，將數據導入Workbench中。首先，選中Solidworks窗口中“軸I”的三維模型，在“菜單欄”選擇“導出”選項，選擇導出格式為“.xt”。在打開ANSYS Workbench界面后，選擇項目“Static Structure”，在其中“Geometry”選項中即可導入生成的“.xt”文件，完成從Solidworks 2012到ANSYS Workbench的數據傳遞工作。

圖1 軸I的三維模型（基于Solidworks平臺）

3.1 有限元分析設置

在進行有限元分析計算之前，需要對分析時模型進行網格劃分、約束設置、負載設置和求解設置。圖2所示為網格劃分示意圖，圖3為該分析過程的約束設置，圖4—圖8為對“軸I”進行分析時的受力負載設置。約束設置和負載設置以第4章的受力計算、受力分析和第2章的方案設計為依據。

圖2 網格劃分

如圖2所示為在分析過程中，對典型零部件“軸I”進行的有限元單元劃分情況。在圖2所示的劃分過程中，“單元質量”、“單元光滑度”均設置為“好”，其他保持默認設置。劃分完成后，節點數為9865，單元數量為5176，隹小邊緣網格尺寸為0.340280。

對于軸I，其受到的約束主要來自于支承支座，其在支承支座上可以自由旋轉。在分析時，在兩藍色位置添加轉動副約束，并同時限制其軸向位移。因此，約束情況與實際工作情況基本一致。

由于該軸支承間跨度較大，而且質量較大，因此其自身重力的影響不可忽略。

對軸兩端的扭矩進行設置。設置時按照第四章中分析所得扭矩大小進行加載。

對軸上兩鏈輪的拉力進行設置。設置時按照第四章中分析所得扭矩大小進行加載，由于兩鏈輪負載大小一致，因此所受拉力大小一致。

3.2 有限元分析結果

對軸I的分析環境進行設置，然后進行運行計算，可直接得到分析結果。從結果中，我們可以直觀的看清軸I的整體應力分布和整體變形。

軸I的最大應力應出現在左側支承附件，為90.8MPA，遠小于45號結構鋼的屈服極限。因此，軸I的強度設計是能滿足工作需求的。

軸I的最大變形為4.5mm，遠小于軸I的最大允許變形量。因此，軸I的剛度設計也是能滿足工作需求的。

4 結論

在本文中，采用Solidworks對典型零部件“軸I”進行了三維建模，并將其幾何數據導入Workbench中進行了有限元分析計算。分析計算結果顯示：本文所設計的軸I在強度和剛度上均滿足設計要求，能完成預期的功能。

蒲珊珊：（1984-），女，四川南充人，四川大學機械工程碩士，內江職業技術學院.講師，主要研究方向：機械傳動與控制、金屬材料。

Finite element analysis of the typical parts of the upper material pull steel frame - "shaft"

Pu Shanshan,Xiang Liuzhao,Liu Mingsheng,Deng Liqun
(Neijiang Vocational and Technical College, Neijiang,Sichuan,641100)

In the steel frame system, there are many kinds of mechanical transmission parts,such as motor, chain, sprocket,transmission shaft and so on.However,in these transmission parts,and the transmission shaft of the most complex,the working environment is the most severe.So,the typical parts of the system are analyzed by ANSYS software.In the system of the four main drive shaft,and the "axis I" the maximum force,if the intensity of the words,will be the first to be destroyed. Therefore,this paper carries on the finite element analysis on the stress and stress distribution of the "axis I" of the steel frame system.

drive shaft;ANSYS software;finite element analysis