ansys 14 多载荷作用下的阶梯轴有限元分析.docx

7多载荷作用下的阶梯轴有限元分析7.1 实践任务和目的阶梯轴是机械传动中的常见的部件，受力复杂、一般受到弯扭组合变形，对于装配有斜齿轮的阶梯轴还受拉力作用。传统的材料力学精确分析很困难，对于轴上的键槽，轴肩等辅助定位和安装的结构都无法考虑。本次实践用ANSYS软件分析阶梯轴，如图7.1所示，轴材料为40Cr，采用两个约束的简支梁结构支撑，根据材料力学知识可以得出两键槽中间部分受弯扭组合变形，轴承支承左端只受弯曲，大键槽受径向力FR1=2KN，小键槽受径向力FR2=3KN，作用在两端的转矩为Mn=2KN.M。其中轴的大截面D=40mm、d=35mm，求解出应力和位移的分布云图，其中材料参数：弹性模量E=210GPA，泊松比0.3。7.2实验环境Ansys14.0及其以上版本软件，win7以上版本操作系统7.3实践准备1）有限元建模的基本原则建模时需要考虑两条基本原则：一是保证计算结果的精度，二是控制模型的规模。在保证精度的前提下，减小模型规模是必要的，它可在有限的条件下使有限元计算更好、更快地完成。①保证精度原则适当增加单元数量，即划分比较密集的网格。实际计算时，可以比较两种网格的计算结果，如果相差较大，可以继续增加单元数量。如果结果变化不大，则可以停止增加。在划分网格特别是在应力精度要求很高的区域时尽量划分比较规则的网格形状。一般情况下，使单元形状为正多边形（等边三角形或正方形）和正多面体。②控制规模原则模型规模是指模型的大小，直观上可用节点数和单元数来衡量，可以通过控制节点和单元数量来控制模型规模，此外，模型规模还受节点和单元编号的影响；在估计模型规模时，除了考虑节点的多少外，还应考虑节点的自由度数。2）有限元建模的一般步骤不同问题的有限元建模过程和内容不完全相同，在具体实施分析之前，首先弄清分析对象的几何形状、约束特点和载荷规律，以明确结构型式、分析类型、计算结果的大致规律、精度要求、模型规模大小等情况，以确定合理的建模策略和分析方案。有限元建模的一般步骤如图7.2所示。3）形状处理方法几何模型对分网过程、网格形式和网格数量都有直接影响。几何建模时，对原有结构进行适当处理是必要的。①降维处理：对某些结构作近似处理，按平面问题或轴对称问题来计算，把三维问题简化或近似为二维问题来处理。②细节简化：结构中存在的一些相对尺寸很小、处于结构的非高应力区的细节，如倒圆、倒角、退刀槽、加工凸台等，可以简化处理。③局部结构的利用：当有些结构尺寸很大，但受力或同时受力的却是某些相对很小的局部，结构只是在局部发生变形，应力也分布在局部区域内时，可以从整个结构中划分出一部分进行分析。④对称性的利用：当结构形状和边界条件具有某种对称性，应力和变形呈相应的对称分布时，可以只取出结构的一半计算。4）单元类型单元类型的选择应根据分析类型、形状特征、计算数据特点、精度要求和计算条件等因素综合考虑。在结构分析领域，不同的结构类型需要相应的单元进行离散。因此单元通常是按结构类型进行分类的，即根据结构的特点选择相应单元。5）单元特性单元特性定义了单元内部数据，包括材料数据、截面数据等。①材料特性材料特性用于定义分析对象的材料在力学、热学等方面的性能，如弹性模量E、泊松比、密度、导热系数、热膨胀系数等。②物理特性物理特性用于定义单元物理参数或辅助几何特征，在ANSYS中称为实常数。③截面特性杆、梁这类一维单元需要定义其截面特性。杆件结构只承受拉压，其截面特性只有截面积。梁结构可以承受拉压、弯曲和扭转，其截面特性包括截面积、主惯矩、极惯矩等截面性质。④单元相关几何数据某些单元具有一些相关几何数据，以对单元作进一步说明。6）网格划分原则①网格数量网格数量的多少主要影响以下两个因素。（a）结果精度网格数量增加，结果精度一般会随之提高，但当网格数量太大时，数值计算的累积误差反而会降低计算精度。（b）计算规模网格数量增加，将会增加计算时间。并不是网格分得越多越好，应该考虑网格增加的经济性，在实际计算时应权衡两个因素综合考虑。②网格疏密网格疏密是指结构不同部位采用不同大小的网格，又称相对网格密度。应力集中区域采用较密集的网格，而在其它非应力集中区域，则采用较稀疏的网格。采用疏密不同的网格划分，既可保持相当的精度，又可使网格数量减小。③单元阶次采用高阶单元可以提高计算精度，但高阶单元的节点较多，使用时也应权衡精度和规模综合考虑。④网格质量网格质量是指网格几何形状的合理性。网格各边和各个内角相差不大，网格表面不过分扭曲，边角点位于边界等分点附近，则这类网格的质量较好。网格划分之后，应进行网格质量检查，并对质量差的网格（特别是重要部位的网格）进行修正。⑤网格分界面和分界点划分网格时，结构中的一些特殊界面和特殊点应划分为网格边界或节点。7）网格划分方法①半自动分网方法由分析人员确定