馬達軸有限元分析

吳新江,黃昕龍（福建江夏學院,福州 350105）

馬達軸有限元分析

吳新江,黃昕龍
（福建江夏學院,福州 350105）

本文在pro/e中對液壓馬達中的關鍵零件馬達軸建立三維模型，將該模型導入ANSYSworkbench中，將某工況下的受力情況加載在軸上進行強度分析，分析結果表明，在此工況下，該軸的強度完全滿足使用條件。

馬達軸；網格劃分；有限元分析

0　前言

液壓傳動是能量轉換裝置的一種傳動形式，以液體作為工作介質的能量傳遞。它運用動力裝置，將裝置中帶壓力能的液體通過輔助部分、控制部分等裝置后，由執行裝置進行能量再次轉變并對外做功，驅動負載并實現需要的直線或回轉運動。液壓馬達是一種以液體為傳輸介質，將液壓泵提供的液壓能轉變為機械能的能量轉換裝置，是液壓系統中的重要執行元件，其有結構緊湊、重量輕、體積小、轉動慣性小、傳遞效率高、輸出扭矩大、可以實現無極調速、輸出不受負載影響等優點，廣泛應用于船舶、工程機械、行走機械、液壓機具、航空及航天等領域。液壓馬達由定子、轉子、馬達軸、葉片、密封圈、螺栓等零件組成。馬達軸作為馬達中重要的零部件，其設計的好壞直接影響到馬達的使用性能。

1　馬達軸有限元模型的建立

有限元分析是一種有效的數值分析方法，其本質是將連續的實體進行離散，使之成為有限數量和有限大小的單元體,這些構件由節點關聯并傳遞，將離散化的有限單元體替代原來的連續結構體來分析應力和變形。根據力學的解題方法,應用有限元方法逐個分析單元的力與位移關系,依據設定的邊界條件計算整體連續結構的力與位移關系,運用節點的傳遞解出各結點的位移,然后根據這些位移分析各個離散單元的應力與應變。在pro/e中建立馬達軸的三維模型，建模過程中，為了方便分析，對馬達軸的部分細節進行合理的簡化，如圖1，軸長1342mm，最大直徑210mm，最小直徑173mm，馬達軸的模型如圖1所示，軸采用45鋼，其屈服極限為355Mpa，抗拉強度為600Mpa，密度為7.85X10-6kg/mm3，彈性模量為206Gpa，泊松比為0.269。

1.1馬達軸網格劃分

ANSYSworkbench中，打開structure模塊，將pro/e中建立的馬達軸模型導入并進入mech模塊，對軸進行網格劃分。網格劃分作為有限元模型建立時的一個重要環節，其需要考慮的問題較多，需要的工作量較大，耗費的時間較多,網格劃分的結果對計算精度和計算量將產生直接影響，單元格長度、網格數量和網格疏密程度等網格參數決定網格劃分質量，網格體劃分中主要有六面體和四面體網格，六面體網格的計算精度會高于四面體網格，通過控制每個單元的此存來控制網格的數量，一般來講，網格數量越多，模型的計算結果會越準確，但是網格太密，數量太多，對計算設備的要求越高，計算時間長，成本會相應的增加，因此本模型采用六面體網格進行劃分，適當的控制網格大小，同時對鍵槽、軸肩、倒圓和倒角處適當處理，生成的馬達軸的網格模型如圖2所示。

1.2馬達軸載荷分布

轉子通過鍵帶動軸轉動，軸通過鍵將運動和力傳給執行運行機構，因此該軸的兩個鍵槽的側面受力，在軸的支撐部位有軸承的支撐，兩個裝軸的部位也受力，同時該軸受自身的重力作用。將上述分析的力，計算后在ANSYSworkbench中將力加載在模型對應的位置。本文對馬達軸做靜強度分析，因此，將模型固定即可，在求解器里面設置需要求解的參數，本文中研究的是馬達軸的靜強度，將應力和應變作為求解參數加入到求解器即可。

2　馬達軸靜強度分析

通過計算，馬達軸的結果如圖3、4所示，其中圖3為馬達軸應力分布云圖，圖4為馬達軸位移分布云圖，從圖3中可以看出，軸上應力最大值為27.5Mpa，應力較大的區域出現在鍵槽和軸的端面處，最小值為不到1Mpa，最大應力小于材料的屈服極限355Mpa，圖4可以看出，馬達軸的最大的變形量為0.09mm，最大變形較小，在可控范圍內。在此工況下，馬達軸的最大應力和應變都在允許的可控范圍內，且其最大應力遠小于材料的屈服極限，滿足馬達軸剛度設計要求。

3　結論

采用有限元方法分析機構的應力和變形，其優勢在于除了可以處理復雜邊界條件及多種工況外，還能處理不連續的邊界條件和載荷條件問題，可以解決很多機構內部包含不連續性的復雜難題，可以模塊化編程，能夠求得更接近實際情況的應力和位移分布，計算結果可以為工程實際應用提供重要的參考。本文通過在pro/e中建立實際的馬達軸三維模型，并將某一工況下的受力情況施加在模型上進行有限元分析，分析計算的結果表明，在此工況下，該軸強度完全滿足使用的需求，結果同時表明可以在此數據的基礎上對該軸進行優化設計。

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吳新江（1986-），男，湖北咸寧人，福建江夏學院，碩士研究生，助教，研究方向：機械制造.