基于ansys風(fēng)洞模型支撐機(jī)構(gòu)的雙轉(zhuǎn)軸后軸應(yīng)力狀態(tài)有限元分析

李永耀，郭衛(wèi)，李國(guó)榮

（1.延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西延安716000；2.西安科技大學(xué)，陜西西安710000）

基于ansys風(fēng)洞模型支撐機(jī)構(gòu)的雙轉(zhuǎn)軸后軸應(yīng)力狀態(tài)有限元分析

李永耀1，郭衛(wèi)2，李國(guó)榮1

（1.延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西延安716000；2.西安科技大學(xué)，陜西西安710000）

風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹螜C(jī)構(gòu)是進(jìn)行實(shí)物仿真的關(guān)鍵硬件設(shè)備，在飛行器的風(fēng)洞試驗(yàn)研制過(guò)程中起著極為重要的作用。文章基于ansys軟件對(duì)雙轉(zhuǎn)軸后軸應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析研究。

ansys；雙轉(zhuǎn)軸后軸；有限元

1 建立幾何模型

模型的簡(jiǎn)化，由于雙轉(zhuǎn)軸后軸存在一個(gè)斜置的走線孔（用于前軸系統(tǒng)電纜和實(shí)驗(yàn)信號(hào)線的布置），因此不能通過(guò)軸對(duì)稱簡(jiǎn)化為平面二維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理；同時(shí)，后軸所受載荷中存在扭矩，而且軸有不同的受力姿態(tài)，不同姿態(tài)所受的載荷方向不同，故采用完全三維立體模型。同時(shí)，為了加快計(jì)算速度，優(yōu)化計(jì)算模型，建模時(shí)，對(duì)后軸結(jié)構(gòu)上的一些細(xì)微結(jié)構(gòu)如螺紋孔、倒角等進(jìn)行簡(jiǎn)化。但是，由于軸承擋圈槽造成了軸結(jié)構(gòu)的形狀突變，可能產(chǎn)生應(yīng)力集中，故保留該結(jié)構(gòu)。

模型的建立過(guò)程：由于利用三維建模軟件中做出的模型在導(dǎo)入ansys中時(shí)總是在走線斜孔部分出現(xiàn)失真的情況，故采用在ansys中直接建模的方式，以保證計(jì)算結(jié)果的可靠與準(zhǔn)確。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

2 輸入材料參數(shù)

由于后軸的材料選用的是30CrMnSiA合金鋼，故計(jì)算中選用合金鋼的材料參數(shù)，設(shè)置彈性模量為2.06e11，泊松比為0.25。材料許用應(yīng)力為870MPa，由于雙轉(zhuǎn)軸重量?jī)H為百公斤級(jí)，而所施加的載荷最大為5噸，故重力忽略不計(jì)。

3 網(wǎng)格劃分

后軸的前端（與拐頭和前軸的連接處）和后端（與力矩電機(jī)的連接處）均為標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體，故可以用六面體網(wǎng)格進(jìn)行sweep劃分，而中部由于存在一個(gè)斜孔，

無(wú)法用sweep和map操作，所以只能進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。由于在擋圈槽和斜孔出易產(chǎn)生應(yīng)力集中，故將該部分的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理。網(wǎng)格劃分效果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分效果

4 約束的施加

后軸有兩個(gè)軸承支撐點(diǎn)，兩個(gè)軸承限制軸頸向兩個(gè)方向的平動(dòng)（在此軸頸和軸承內(nèi)圈應(yīng)該為一個(gè)接觸問(wèn)題，但是由于軸承的剛度較大，故將此處的約束處理為剛性約束），軸的后端（即與電機(jī)的連接處）限制所有方向的自由度，故在后端面上添加所有自由度的約束。至此，約束添加完畢如圖3所示。

圖3 約束添加

5 加載求解及結(jié)果分析

載荷的計(jì)算：后軸的載荷情況如圖4所示（此情況為前軸、拐頭、后軸均在豎直平面內(nèi)的情況）：

圖4 后軸的載荷情況

其中，O為受力的遠(yuǎn)端點(diǎn)，O點(diǎn)距后軸軸頭的距離為1400mm，圖中法向力Y=50000N，軸向力X=4000N，側(cè)向力Z=15000N，偏航力矩My=2000N·m，滾轉(zhuǎn)力矩Mx=2000N·m，俯仰力矩Mz=4000N·m。

將力的作用點(diǎn)轉(zhuǎn)移到后軸大頭的端面中心O’，相應(yīng)的法向力和側(cè)向力會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的附加力矩，進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，得：

在載荷施加的時(shí)候遇到的問(wèn)題：

（1）由于各個(gè)方向的壓力是均勻施加在后軸內(nèi)錐面上的，而在ansys中施加集中力時(shí)都是作用在keypoints和nodes上的，這樣勢(shì)必會(huì)造成力作用點(diǎn)處產(chǎn)生應(yīng)力集中，也不符合后軸受力的實(shí)際情況；

（2）后軸受三個(gè)方向上的扭矩/彎矩，ansys無(wú)法直接在面上施加扭矩。一種常用的方法是用力偶代替力矩，但是這樣又會(huì)在力的作用點(diǎn)處產(chǎn)生應(yīng)力集中，并會(huì)在力偶的中心截面上產(chǎn)生附加的正應(yīng)力，影響最后的分析結(jié)果，若采用多對(duì)力偶則較為繁瑣，圓周方向上的節(jié)點(diǎn)數(shù)必須為偶數(shù)，并且仍存在應(yīng)力集中問(wèn)題。

解決方案：在內(nèi)錐面端面的中心建立一個(gè)獨(dú)立的質(zhì)量節(jié)點(diǎn)，在其上創(chuàng)建一個(gè)mass21單元（質(zhì)量值設(shè)為1e-10，即為無(wú)窮小），將該單元作為載荷的作用點(diǎn)，在通過(guò)cerig命令建立剛性區(qū)域，將該質(zhì)量單元與內(nèi)錐面的前半部分固結(jié)為一體這樣通過(guò)mass21單元作用的載荷就均勻的作用在了錐面上，而且也方便扭矩的施加。

求解分析如圖5：

圖5 求解分析

由于軸存在不同方位，不同方位所受載荷狀況不同，而且軸不為對(duì)稱結(jié)構(gòu)（有斜孔的存在），故選用兩個(gè)方位的狀態(tài)進(jìn)行分析：拐頭豎直狀態(tài)和拐頭水平狀態(tài)。重點(diǎn)分析軸承部位，擋圈槽部位和斜孔部位的應(yīng)力和變形狀況。

首先分析拐頭豎直的狀態(tài)。計(jì)算結(jié)果顯示，最大應(yīng)力為330MPa，小于材料的許用應(yīng)力870MPa，安全系數(shù)N=2.64。最大應(yīng)力部位出現(xiàn)在前端軸承部位與軸頭的相接處，且最大應(yīng)力部位為近似豎直分布，主要由y軸和z軸兩個(gè)方向上的力矩產(chǎn)生。

當(dāng)拐頭處于水平位置時(shí)，僅載荷方向有所變化，其它部分與拐頭處于豎直位置時(shí)相同，故省略計(jì)算過(guò)程，不再贅述。此時(shí)后軸所受的載荷為：

計(jì)算結(jié)果如下圖6所示

圖6 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果可得出，最大載荷的值比拐頭豎直狀態(tài)時(shí)略小，也是發(fā)生在前端軸承部位與軸頭的相接處。同時(shí)，在此種狀態(tài)下，斜置走線孔的應(yīng)力總體分布比上一種狀態(tài)時(shí)小了一些，這是因?yàn)榇藭r(shí)最大載荷分量為y方向的扭矩，而該扭矩產(chǎn)生的最大主應(yīng)力分布在與斜孔相垂直的位置上（即相位差90°的位置上），使斜孔的應(yīng)力狀態(tài)有所減弱。

兩個(gè)位置的分析結(jié)果相同表明前軸承部位承受了后軸絕大部分的載荷，因此，前軸承的要求比后軸承要高的多，需要更大的預(yù)緊力和更大的剛度。因此在改善設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們把前端設(shè)計(jì)了兩個(gè)軸承，一個(gè)圓錐滾子軸承和一個(gè)滾針軸承，一個(gè)用來(lái)增大預(yù)緊提高剛度，一個(gè)用來(lái)保證軸系的支撐力和回轉(zhuǎn)的精度。而后軸設(shè)置了一個(gè)圓錐滾子軸承。

總之，ansys的有限元分析結(jié)果表明，雙轉(zhuǎn)軸后軸結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，雖然在前軸承和軸頭相接部位有應(yīng)力集中，但安全系數(shù)仍為2.6，可在方便軸承安裝的條件下不做調(diào)整。

［1］劉濤.精通ANSYS［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［2］龔曙光.ANSYS基礎(chǔ)應(yīng)用及范例解析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［3］任重．ANSYS實(shí)用分析教程［M］．北京：北京大學(xué)出版社，2003.

李永耀（1982-），河南鎮(zhèn)平人，碩士，講師，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造。