基于ANSYS workbench的汽車高速軸動態分析

劉濤

摘 要：高速軸在工作過程中慣量大，受到的載荷也存在變化，持續變化的載荷可能存在應力集中影響軸的使用壽命。在UG中建立好軸的模型后導入ANSYS workbench定義材料屬性并添加軸的約束和隨時間變化的載荷，進行瞬態動力學分析得出變載荷下的應力及位移變化情況，結果表明符合軸的強度設計要求。

關鍵詞：軸;瞬態動力學;有限元

高速軸作為減速器的重要部件，其質量和動力學特性決定了減速器的性能，對汽車行駛安全有著重要影響。[1]在汽車行駛過程中，影響高速軸在運轉過程中動力學特性的因素較多，包括軸上齒輪的嚙合精度和軸向定位精度等，來自發動機不斷變化的輸出轉速和扭矩等，因此其動力學特性很難得以準確分析。[2]本文通過三維建模軟件UG對某汽車高速軸進行實體建模，然后將實體模型導入ANSYS workbench有限元分析軟件進行數值仿真模擬分析，確定該軸在工作過程中的瞬態動力學響應。

1 瞬態動力學理論

瞬態動力分析是在已知隨時間變化載荷情況下分析結構的應力和位移等變化確定其變化載荷作用下的動態響應。瞬態動力學還綜合考慮的慣性及阻尼的影響，[3]對仿真得出的應力位移等云圖加以分析總結整個時間歷程上結構的總體變化規律。適用于受沖擊載荷和隨時間變化載荷的結構分析。

瞬態動力學中的求解方程如下：

[M]{x¨}+[C]{x·}+[K]{x}={F（t）}（1）

式中：M為質量矩陣;C為阻尼矩陣;K為剛度矩陣;x¨為加速度向量;x·為速度向量;x為位移向量;Ft為變載荷向量。[4]對任意時間t，（1）式中可認為是一系列靜態方程同時考慮了慣性力Mx¨和阻尼力Cx·。

2 模型的導入及網格劃分

在UG中建立三維模型，導出Parasolid，文件格式為“.x_t”，導入workbench中。

軸材料為45號鋼，極限抗拉強度為600MPa，屈服強度為355MPa，彈性模量E=2.0×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7850kg/m3。本文在劃分網格時選擇的系統默認四面體網格劃分，全局單元尺寸為7mm，劃分后共有個85771單元，123126個節點。有限元模型如圖1所示。

3 邊界條件添加及結果分析

結合高速軸的實際工作情況，在軸承連接的兩軸端面添加Cylindrical Support僅保留切向自由。在有鍵槽的兩端軸上添加兩個大小相等方向相反的扭矩。扭矩持續5S對應值為（-80，-40，40，80，120）N.m。分析設置中設置五個分析步，每個分析步設置三個子步。之后進行瞬態動力學計算，完畢后查看X、Y、Z軸上的等效位移云圖位移變化曲線以及總變形和等效應力的云圖和對應變化曲線，如圖2-3所示。

根據分析結果可知，在第5S結束時，高速軸總的變形量以及等效應力在第5s結束時達到最大，總的最大變形量為002738mm，等效應力最大處在左側鍵槽邊緣處，說明可針對鍵槽進行適當優化，防止因應力集中而在載荷較大時產生疲勞裂紋從而影響軸的正常使用。

4 結論

本文針對汽車某高速軸在UG中建立好模型然后導入ANSYS workbench中施加持續5s的變化扭矩，進行瞬態動力學分析得出等效位移及等效應力云圖，等效應力最大值25.282Mpa在鍵槽邊緣處但未超過材料許用應力55MPa，驗證了軸建模和設計的合理性。此外該分析結果可作為對軸進行進一步優化設計，避免應力集中的基礎和參考。

參考文獻：

[1]劉東洋.汽車軸類零件加工質量的提高[J].中國新技術新產品，2018（01）：91-92.

[2]起雪梅，張敬東.基于ANSYS Workbench的汽車主軸瞬態動力學分析[J].計算機應用技術，2014（11）：41-43.

[3]巨文濤，代衛衛.ANSYS Workbench在結構瞬態動力學分析中的應用[J].煤炭技術，2014（08）：110-113.

[4]譚峰，殷國富，等.基于 ANSYS Workbench 的微型數控車床主軸動靜態性能分析[J].組合機床與自動化加工技術，2015（4）：29-32.