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(xù)變化的載荷可能存在應(yīng)力集中影響軸的使用壽命。在UG中建立好軸的模型后導(dǎo)入ANSYS workbench定義材料屬性并添加軸的約束和隨時(shí)間變化的載荷，進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析得出變載荷下的應(yīng)力及位移變化情況，結(jié)果表明符合軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：軸;瞬態(tài)動(dòng)力學(xué);有限元

高速軸作為減速器的重要部件，其質(zhì)量和動(dòng)力學(xué)特性決定了減速器的性能，對(duì)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(yùn)轉(zhuǎn)過程中動(dòng)力學(xué)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(fā)動(dòng)機(jī)不斷變化的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩等，因此其動(dòng)力學(xué)特性很難得以準(zhǔn)確分析。[2]本文通過三維建模軟件UG對(duì)某汽車高速軸進(jìn)行實(shí)體建模，然后將實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS workbench有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值仿真模擬分析，確定該軸在工作過程中的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。

1 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)理論

瞬態(tài)動(dòng)力分析是在已知隨時(shí)間變化載荷情況下分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移等變化確定其變化載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)還綜合考慮的慣性及阻尼的影響，[3]對(duì)仿真得出的應(yīng)力位移等云圖加以分析總結(jié)整個(gè)時(shí)間歷程上結(jié)構(gòu)的總體變化規(guī)律。適用于受沖擊載荷和隨時(shí)間變化載荷的結(jié)構(gòu)分析。

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)中的求解方程如下：

[M]{x¨}+[C]{x·}+[K]{x}={F（t）}（1）

式中：M為質(zhì)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(duì)任意時(shí)間t，（1）式中可認(rèn)為是一系列靜態(tài)方程同時(shí)考慮了慣性力Mx¨和阻尼力Cx·。

2 模型的導(dǎo)入及網(wǎng)格劃分

在UG中建立三維模型，導(dǎo)出Parasolid，文件格式為“.x_t”，導(dǎo)入workbench中。

軸材料為45號(hào)鋼，極限抗拉強(qiáng)度為600MPa，屈服強(qiáng)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(wǎng)格時(shí)選擇的系統(tǒng)默認(rèn)四面體網(wǎng)格劃分，全局單元尺寸為7mm，劃分后共有個(gè)85771單元，123126個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型如圖1所示。

3 邊界條件添加及結(jié)果分析

結(jié)合高速軸的實(shí)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(gè)大小相等方向相反的扭矩。扭矩持續(xù)5S對(duì)應(yīng)值為（-80，-40，40，80，120）N.m。分析設(shè)置中設(shè)置五個(gè)分析步，每個(gè)分析步設(shè)置三個(gè)子步。之后進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)計(jì)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(yīng)力的云圖和對(duì)應(yīng)變化曲線，如圖2-3所示。

根據(jù)分析結(jié)果可知，在第5S結(jié)束時(shí)，高速軸總的變形量以及等效應(yīng)力在第5s結(jié)束時(shí)達(dá)到最大，總的最大變形量為002738mm，等效應(yīng)力最大處在左側(cè)鍵槽邊緣處，說明可針對(duì)鍵槽進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，防止因應(yīng)力集中而在載荷較大時(shí)產(chǎn)生疲勞裂紋從而影響軸的正常使用。

4 結(jié)論

本文針對(duì)汽車某高速軸在UG中建立好模型然后導(dǎo)入ANSYS workbench中施加持續(xù)5s的變化扭矩，進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析得出等效位移及等效應(yīng)力云圖，等效應(yīng)力最大值25.282Mpa在鍵槽邊緣處但未超過材料許用應(yīng)力55MPa，驗(yàn)證了軸建模和設(shè)計(jì)的合理性。此外該分析結(jié)果可作為對(duì)軸進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免應(yīng)力集中的基礎(chǔ)和參考。

參考文獻(xiàn)：

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[3]巨文濤，代衛(wèi)衛(wèi).ANSYS Workbench在結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2014（08）：110-113.

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