任昭

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

軸類零件在機(jī)械行業(yè)中用途廣泛，主要起著支撐零部件、承受載荷、傳遞扭矩的作用。軸的種類和結(jié)構(gòu)多種多樣，承受的載荷不同，其所受應(yīng)力也不一樣。軸類零件的載荷計(jì)算是設(shè)計(jì)階段的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容，傳統(tǒng)的軸類零件載荷一般通過機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)等行業(yè)規(guī)范來計(jì)算，過程復(fù)雜，耗費(fèi)時(shí)間。隨著CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種機(jī)械輔助設(shè)計(jì)軟件如PROE、UG、ANSYS等，由于這些軟件的功能包括三維建模、工程分析、模擬仿真、輔助制造等，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件可以節(jié)約時(shí)間、成本、物力、財(cái)力，在不少企業(yè)中，傳統(tǒng)的人工設(shè)計(jì)計(jì)算方法逐漸被計(jì)算機(jī)軟件所代替。在眾多機(jī)械設(shè)計(jì)輔助軟件中，Pro/Engineer5．0軟件集CAD/CAM/CAE一體化，實(shí)現(xiàn)建模、分析、仿真的無縫銜接，本文利用Pro/E中的有限元分析模塊對(duì)某二級(jí)減速器的傳動(dòng)軸進(jìn)行有限元靜態(tài)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 三維建模

根據(jù)某二級(jí)減速器的參數(shù)擬定輸入軸的各段軸徑和長(zhǎng)度，如圖1和表1。

圖1 傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)布置

表1 傳動(dòng)軸各軸段參數(shù)

其中，I-II段與VI-VIII段安裝軸承，相當(dāng)于固定支撐，III-IV段與V-VI段需要安裝齒輪1和齒輪2，同軸度要求為0．01mm，承受徑向力Fr和圓周力Ft，經(jīng)計(jì)算得Fr1=603N，F(xiàn)r2=1418N。由Ft產(chǎn)生的扭矩T=394 N·m。由此在Pro/E5．0中進(jìn)行1：1比例建模，如圖2。

圖2 傳動(dòng)軸的三維模型

2 有限元靜態(tài)分析

2.1 設(shè)定材料及屬性

從Pro/E5．0軟件中直接可進(jìn)入Mechanical有限元分析模塊，由于傳動(dòng)軸的材料是45鋼，故選擇steel，將密度設(shè)為7．81g/cm3，應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)為線性，泊松比為0．27，楊氏模量為210GPa，失效準(zhǔn)則設(shè)定為von Mises，最后將拉伸屈服應(yīng)力設(shè)為355MPa，許用應(yīng)力為237MPa。

2.2 添加載荷與約束

首先對(duì)整個(gè)軸施加重力載荷，即Y方向加速度設(shè)置為9．18m/s2。然后將I-II段與VI-VIII段自由度設(shè)置為0，使其固定，在III-IV段和V-VI段施加沿重力方向的Fr1和Fr2，繞軸線的扭矩T。

2.3 劃分網(wǎng)格

在劃分網(wǎng)格模塊中，默認(rèn)的自動(dòng)劃分方法劃分出來的四面體比較大，經(jīng)在AutoGEM環(huán)境下不斷嘗試相關(guān)參數(shù)大小，為將網(wǎng)格的元素類型選為三角形、四面體，將三維模型中的最大邊和最大角設(shè)為150，最大長(zhǎng)寬比設(shè)為10，最大邊翻轉(zhuǎn)度設(shè)為30。

2.4 靜態(tài)分析

圖3 有限元靜態(tài)分析結(jié)果

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

出于節(jié)約材料的考慮，優(yōu)化目標(biāo)為該傳動(dòng)軸的質(zhì)量最小，限制條件為軸的整體位移小于等于0．01mm，可變尺寸為齒輪2所在的軸段直徑，其軸徑是40mm，可變范圍是30～50mm。經(jīng)迭代優(yōu)化分析，當(dāng)軸徑為46．65mm時(shí)，可以使軸的最大位移為0．01mm，其結(jié)果如圖4。

圖4 優(yōu)化后的軸最大位移

4 結(jié)語

本文通過用Pro/E中的Mechanical模塊對(duì)某傳動(dòng)軸進(jìn)行強(qiáng)度、剛度校核，在有限元靜態(tài)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)受力較大的軸段進(jìn)行軸徑優(yōu)化分析，并得到滿足條件的最優(yōu)軸徑，對(duì)比傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)流程，提高了機(jī)械設(shè)計(jì)效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。