基于ANSYS Workbench頂輪軸的設計與優化

新興重工湖北三六一一機械有限公司 （襄陽 441002） 徐長成 譚成頂 李存靖 張 瑜

湖北鼎譽環保科技有限公司 （襄陽 441003） 龔欣榮

1. 頂輪及頂輪軸

頂輪是某特種裝備的一個關鍵部件，是利用鋼絲繩來實現重物起升的一種裝置，其具體結構如圖1所示，其中拉力在T=2 000～10 000N之間變化。

頂輪軸作為頂輪的主軸，承載著頂輪對其施加的載荷，其穩定性直接關系到頂輪的安全性，因此對其強度校核十分必要，同時對其φ8mm內孔尺寸進行優化，減輕其質量，實現裝備的輕量化。頂輪軸模型如圖2所示。

圖1 頂輪

圖2 頂輪軸

2. 幾何模型

考慮到網格的質量，幾何建模過程中，對一些工藝尺寸如倒角、圓角進行了忽略。考慮幾何對稱性，取1/2幾何模型進行分析（見圖3）。

圖3 頂輪軸1/2幾何

3. 材料模型

頂輪軸材料為45鋼，其彈性模量為209GPa，泊松比為0.269，屈服強度為355MPa。

4. 網格模型

為便于邊界條件及載荷的施加，對原幾何模型進行了分塊處理，幾何接觸面均采用bonded形式，此接觸方式對原結構力的傳遞沒有造成影響。

網格采用純六面體劃分，網格平均質量0.89，最小值0.75，最大值0.99（見圖4）。

圖4 頂輪軸1/2網格模型

5. 載荷及邊界條件

如圖5a、圖5b、圖5c所示，頂輪軸兩側與支撐架接觸處采用固定支撐，頂輪對頂輪軸的壓力采用一面力表示，取最大值F=10 000N，對稱面采用無摩擦約束。

圖5 頂輪軸載荷及邊界條件

6. 求解

根據材料力學，對于45#鋼，采取第四強度理論校核，等效應力von Mises應力公式

圖6 φ8mm內孔頂輪軸的等效應力

對于φ8 m m內孔，其最大值為σSVmax=184.17MPa（見圖6）。

取安全系數n=1.5，即最大等效應力應≤355/n=236.67MPa，由此判斷φ8mm頂輪軸的強度滿足設計要求，但該值明顯大于184.17MPa，頂輪軸有進一步優化的空間，以減輕其質量。

7. 優化設計

利用ANSYS Workbench實驗設計中Response Surface模塊可對頂輪軸內孔進行探測優化，使其質量最小（密度不變，以下用體積表示），具體參數如下。

輸入變量：內孔直徑（D a t a1），初始值Data1=8mm。

輸出變量：最大等效應力（Equivalent Stress Maximum），體積（Geometry Volume），初始值分別為184.17MPa，24 614mm3。

圖7 Response曲線

由圖7可知，最大等效應力236.67MPa對應Data1≈16.3mm。

取Data1=16mm，其對應等效應力最大值為235.18MPa，體積為19 336mm3（見圖8）。

圖8 φ16mm內孔頂輪軸的等效應力

8. 結語

經實踐驗證，該頂輪裝置采用優化后的結構在應用中運轉良好，并未出現大變形或裂紋。經過優化后，頂輪軸體積縮小21.44%，有效地減輕了零件質量。等效應力最大值均出現在支撐架與頂輪軸接觸內邊緣，有進一步更改結構、優化的可能。

[1] 孫訓方，方孝淑，關來泰. 材料力學(Ⅰ)［M］. 5版. 北京：高等教育出版社，2009.

[2] 孫訓方，方孝淑，關來泰. 材料力學(Ⅱ)［M］. 5版. 北京：高等教育出版社，2009.

[3] 浦廣益. ANSYS Workbench 12基礎教程與實例詳解.北京：中國水利水電出版社，2010.

專家點評

ANSYS軟件常用來分析零件受力情況，該文對網格劃分、載荷情況、幾何模型、材料模型及優化設計等關鍵環節都做了較清晰的描述，對讀者有一定的指導意義。