【正文】 加載步驟如下 : （ 1） Solution/Analysis Type/New Analysis/Static； （ 2） Solution/Define Loads/Apply/Structural/Displacement/On Areas； 選擇軸的兩個(gè)端面進(jìn)行約束，這里有 ALL DOF(全約束 )、 UX（ X 方向位移）、。該單元在有限元法中具有 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有 x、 y、 z位移方向的 3 個(gè)自由度 ， 共生成 5552 個(gè)節(jié)點(diǎn) ， 網(wǎng)格 后模型如 圖 。 38 圖 定義材料參數(shù)對(duì)話框 圖 設(shè)置彈性模量和泊松比 網(wǎng)格劃分 ANSYS 為用戶提供了兩種常用的網(wǎng)格劃分類型：自由和映射。雙擊 Isotropic 將彈出 所示的對(duì)話框。由于 材料是各向同性的線彈性材料 ， 其 材 料 參 數(shù) 的 定 義 步 驟 為 選 擇 Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models 命令，彈出 Define Material Model Behavior 對(duì)話框，如圖 所示。 圖 單元類型對(duì)話框 單擊 Add 按鈕 ,彈出 Library of Element Types 對(duì)話框選擇好自己要定義的元素類型 ,單擊 OK 按鈕即可 ,如圖 所示。 導(dǎo)入 了 零件 的實(shí)體模型后 ,緊接著 定義 該模型 各項(xiàng)屬性。 這次 定義屬性只用到其中的幾項(xiàng)。 37 典型的實(shí)常數(shù)包括：厚度、橫截面面積、高度、梁的慣性矩等。十字軸 受力情況如圖 。） 20CrMnTi 206 800 45 號(hào)中碳鋼 210 600 40CrNi 208 600 十字軸有限元受力分析 十字軸式 萬向節(jié) 的主動(dòng)軸及被動(dòng)軸均向十字軸施加兩對(duì)力，它們構(gòu)成 兩 對(duì)大小相等、方向相反的力偶 。所以利用有限元進(jìn)行分析時(shí)，主要分析 十字軸、萬向節(jié)和傳動(dòng)軸 即可。點(diǎn)擊【 OK】按鈕彈出文件路徑選擇對(duì)話框 ,在文件路徑選擇對(duì)話框中選擇好所需精度 , 輸入IGES 文件路徑后 , 點(diǎn)擊【 OK】按鈕完成 IGES 文件導(dǎo)入 [18]。 一種是通過輸入命令導(dǎo)入。零件使用相同的參照坐標(biāo)系 , 使接受系統(tǒng)中的重新裝配更加容易。該選項(xiàng)支持所有層次。所有級(jí)別 : 輸出一個(gè)組件的 IGES 文件。應(yīng)將每一個(gè)零件分別放到一個(gè)層上 , 以便在接受系統(tǒng)中能加以區(qū)別。平整 : 將組件的所有幾何輸出到一個(gè) IGES 文件。單擊【定制層 ...】按鈕設(shè)置各層的輸出特性。輸出的圖元類型有 : 線框邊、曲面、實(shí)體、殼、基準(zhǔn)曲線和點(diǎn) , 缺省輸出圖元是曲面 , 缺省是輸出所有面組 , 點(diǎn)擊【面組 ...】選擇特定面組輸出。運(yùn)行 Pro/E 打開某零件三維模型圖，點(diǎn)擊 下的 ANSYSGeom按鈕 (如下圖 所示 )，則模型自動(dòng)導(dǎo)入到 ANSYS 中，此時(shí) 軟件自動(dòng)打開，點(diǎn)擊 Plot 下的 Volume，則模型導(dǎo)入成功。 之后選取 EXIT 退出，在彈出的對(duì)話框選擇是。 34 圖 設(shè)置 ANSYS 連接過程 完成后 ANSYS 提示已在自己的安裝目錄中成功生成 文件 ,如下圖 所示 ,記完下 的路徑。 Pro/E 與 ANSYS 接口的創(chuàng)建 利用 ANSYS 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)，通常需要將 Pro/E 建立的三維模型，導(dǎo)入 ANSYS 中進(jìn)行分析。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和流過每個(gè)節(jié)點(diǎn)的流率。主要適用于諧振器、振蕩器以及其他電子材料的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析。 聲場分析 聲場分析主要用來研究主流體 (氣體、液體等 )介質(zhì)中的傳播問題以及在流體介質(zhì)中的固態(tài)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。熱分析還可以進(jìn)行模擬材料固化和熔解過程分 析，以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的耦合問題的分析。 熱力學(xué)分析 ANSYS 可處理熱傳遞的三種基本類型：傳到、對(duì)流和輻射。 結(jié)構(gòu)屈服分析 屈服分析是用來確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的載荷大小與在特定的載荷下結(jié)構(gòu)是否失穩(wěn)的問題。 結(jié)構(gòu)非線性分析 33 結(jié)構(gòu)非線性問題包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。 ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸問題的分析。 ANSYS 軟件能夠提供分析類型如下： 結(jié)構(gòu)靜力分析 用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。 ANSYS 是一個(gè)通用的有限元分析軟件，它具有多種多樣的分析能力，從簡單的線性靜態(tài)分析到復(fù)雜的非 線性動(dòng)態(tài)分析。 ANSYS 軟件的最初版本與今天的版本相比有很大不同，最初版本僅僅提供了熱分析及線性結(jié)構(gòu)分析功能； 20 世紀(jì) 70 年代末，圖形技術(shù)和交互操作方式應(yīng)用到了 ANSYS 中，使得 ANSYS 的使用進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。它包含了預(yù)處理、解決程序以及后處理和優(yōu)化等模塊，將有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，已成為解決現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的有力工具。目前，ANSYS 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防、軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等工業(yè)及科學(xué)研究。 圖 中間傳動(dòng)軸花鍵軸 三維效 果圖 圖 法蘭盤 三維效果圖 基于 ANSYS 的有限元模型生成 ANSYS 有限元分析軟件的簡介 ANSYS 是一種應(yīng)用廣泛的通用有限元工程的分析軟件。 31 圖 萬向節(jié)叉三維效果圖 圖 十字軸 三維效果圖 主傳動(dòng)軸 和中間傳動(dòng)軸花鍵套筒軸 的創(chuàng)建 三維模型如圖 和 所示 。如圖 所示 。效果如圖 所示 。 拉伸 放置 進(jìn)入草繪 草繪二維模型，確定所繪圖形準(zhǔn)確無誤后，點(diǎn)擊確定 ，如圖 所示 。 十字軸的創(chuàng)建 一般零件可以使用拉伸或旋轉(zhuǎn)創(chuàng)建，本設(shè)計(jì)使用拉伸創(chuàng)建。 利用 Pro/E 進(jìn)行三維建模 Pro/ENGINEER 是一個(gè)基于特征的三維建模軟件，它不同于 AutoCAD 等二維制圖軟件，也不同于注重模型效果的三維制圖軟件 3DStudio Max 等，Pro/ENGINEER 注重于對(duì)三維實(shí)體的精確建模，包含了產(chǎn)品模型的體積、面積、重心、重量、慣性大小等。設(shè)計(jì)人員只需要更改三維零件的尺寸，則 二維工程圖、三維裝配圖、模具等就會(huì)依照零件修改過的尺寸作出相應(yīng)變化，避免了人為修改出現(xiàn)的疏漏情況。這一功能特性給工程設(shè)計(jì)人員提供了前所未有的簡易和靈活。在設(shè) 計(jì)過程中，采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型。能更快的對(duì)市場需求做出反應(yīng)。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部倆字一個(gè)庫，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程的任何一處發(fā)生變動(dòng)，都會(huì)反應(yīng)在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上，這樣確保報(bào)數(shù)據(jù)的正確性、避免反復(fù)修改。另外，借助于 Pro/ ENGINEER 的系統(tǒng)參數(shù)，用戶還可以隨時(shí)計(jì)算出產(chǎn)品體積、重心、重量、模型大小，極大的方便了設(shè)計(jì)人員。鈑金設(shè)計(jì)、鑄造件設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、逆向工程、自動(dòng)測量、機(jī)構(gòu)仿真、應(yīng)力分析、電路布線、裝配管路設(shè)計(jì)等功能模塊和專有模塊于一體，可以實(shí)現(xiàn)DFM (面向制造設(shè)計(jì) )、 DFA（面向裝配設(shè)計(jì)）、 ID（逆向設(shè)計(jì)）、 CE（并行工程）等先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法的特性 。近年來在我國大型工廠、科研單位和部分大學(xué)得 到了較為普遍的應(yīng)用，深受廣大從事三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研究人員的喜愛 [16]。這些部件需要進(jìn)過精確地計(jì)算、校核，以滿足使用的要求。主要部件包括十字軸、萬向節(jié)叉、傳動(dòng)軸和中間支承等。符合設(shè)計(jì)推薦值。 阻尼因素 ??? ?? 無阻尼自然頻率 wkgmkf n ?? 2121 ?? 由上式可得： Hzf n ??? ? 阻尼自然頻率為： Hzff nDn )(1 22)( ?????? ? c p mF Dn 7 7 )( ??? 符合許用臨界轉(zhuǎn)速 1000～ 20xx min/r 。徑向動(dòng)態(tài)彈簧剛度為 20xx0? 3000N/m，效率在 73176。 中間支承的軸承選用深溝球軸承，型號(hào)為 6010， 其基本尺寸如 表 27 表 深溝球基本尺寸 軸承代號(hào) 基本尺寸 /mm 安裝尺寸 /mm 基本額定動(dòng)載荷 rC 基本額定靜載荷orC 極限轉(zhuǎn)速 /（ r/mm） d D B sr Min ad Min aD Max asr Max /kN 脂潤滑 油潤滑 6010 50 80 16 1 56 74 1 7000 9000 中間支承的固有頻率可按下式計(jì)算 0 12 RCf m?? 式中， 0f 為中間支承的固有頻率（ Hz）； RC 為中間支承橡膠彈性元件的徑向剛度（ N/mm）； m 為中間支承懸置質(zhì)量（ kg），它等于傳動(dòng)軸落在中間支承上的一部分質(zhì)量與中間支承及 其軸承座所承受的質(zhì)量之和。 圖 橡膠彈性中間支承 擺臂式中間支承 如圖 ，它 的擺臂機(jī)構(gòu)能適應(yīng)中間傳動(dòng)軸軸線在縱向平面的位置變化，改善了軸承的受力情況，橡膠村套能適應(yīng)傳動(dòng)軸軸線在橫向平面內(nèi)少量的位置變化。 橡膠彈性中間支承 如圖 ，其結(jié)構(gòu)中采用單列滾子軸承，橡膠彈性元件能吸收傳動(dòng)軸的振動(dòng)，降低噪音。 中間支承安裝在車架橫梁上，以補(bǔ)償傳動(dòng)軸軸向和角度方向打安裝誤差，以及車輛行駛過程中由于彈性支承的發(fā)動(dòng)機(jī)的竄動(dòng)和車架等變形所引起的 位移。 中間支承的結(jié)構(gòu)分析 和設(shè)計(jì) 由于軸距較長，為了提高傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速，避免共振以及整車總布置上的需要，將傳動(dòng)軸分段。 傳動(dòng)軸的校核 花鍵齒的許用 應(yīng)力 01)2)(4( nLdDdDKThhhhhy ?? ??? K? —— 為花鍵轉(zhuǎn)矩分布不均勻系數(shù)，取 hD —— 花鍵外徑 hd —— 花鍵內(nèi)徑 hL —— 為花鍵有效工作長度 0n —— 為花鍵齒數(shù) 當(dāng)花鍵 材 料為 40CrNi， 齒面 的 硬 度為 35HRC 時(shí) ，許 用擠 壓應(yīng) 力 為? ? M P ay 50~25?? 。國外也有根據(jù)用戶要求使用漸開線花鍵的。 傳動(dòng)軸花鍵的尺寸按表 ，結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)選取，最后進(jìn)行強(qiáng)度校核。花鍵軸頭應(yīng)壓入管口進(jìn)行焊接。 傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度為： ? ? ? ? M P aM P adD TD ccc cc )( 16 44 344 1 ???? ?????? ???? 傳動(dòng)軸材料為 40CrNi，許用應(yīng)力為 300MPa ， 因此本設(shè)計(jì)的傳動(dòng)軸滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的要求。 24 對(duì)于傳動(dòng)軸管，上式又可表達(dá)為 )(16 44 1 cc cc dD TD?? ?? 式中 ： 1T — 傳動(dòng)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)矩， ? ?SSse TTT ,max1 ? = mmN? cc dD, — 傳動(dòng)軸管的外徑和內(nèi)徑， mm 。 最大轉(zhuǎn)速 maxn = m i n/ 0 1 2%??? 23 式中 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 0? 為超速擋傳動(dòng)比，取為 安全系數(shù) k k = = = = 傳動(dòng)軸長度和內(nèi)外徑確定 根據(jù)兩萬向節(jié)中心距 2186mm 傳動(dòng)軸分為兩段， mmLmmL 1386,800 21 ?? 由臨界轉(zhuǎn)速 = = 得 cc dD? = 又 mm 3 mm 根據(jù)電焊鋼管外徑 60 95mm的標(biāo)準(zhǔn)資料（從冶金部標(biāo)準(zhǔn) YB242 63 中選取 ） 初選 cD = 70 mm ，則 cd = mm 其中 cL 為傳動(dòng)軸長度 (mm)，即兩萬向節(jié)中心的距離 cD 和 cd 分別為傳動(dòng)軸軸管的外、內(nèi)徑 (mm) 傳動(dòng)軸的校核 萬向傳動(dòng)軸的斷面尺寸除應(yīng)滿足臨界轉(zhuǎn)速的要求外，還應(yīng)保證有足夠的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。所謂臨界轉(zhuǎn)速，就是當(dāng)傳動(dòng)軸的工作轉(zhuǎn)速接近于其彎曲固有振動(dòng)頻率時(shí)，即出現(xiàn)共振現(xiàn)象，以致振幅急劇增加而引起傳動(dòng)軸折斷時(shí)的轉(zhuǎn)速。表 給出外徑 95~60?cD毫米的 標(biāo)準(zhǔn)資料，以供設(shè)計(jì)時(shí)參考。 傳動(dòng)軸管由低碳鋼板卷制的電焊鋼管制成，軸管外徑及壁厚 (或內(nèi)徑 )是根據(jù)所傳最大轉(zhuǎn)矩、最高轉(zhuǎn)速及長度按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn) YB24263 選定，并校核臨界轉(zhuǎn)速及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度 [13]。在確定這些參數(shù)時(shí)，應(yīng)注意保證傳動(dòng) 22 軸在任何條件下工作可靠、壽命長。 圖