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基于ANSYS枕式包装机端封机构低速轴有限元分析 　　摘 要：以某型号枕式包装机端封机构的输出端低速轴为研究对象，用solidworks对轴进行三维实体建模，将轴的三维实体模型导入ANSYS中建立有限元模型。在此基础上，对低速轴进行结构静力分析，得出应力应变分布云图，为轴的强度和刚度判断提供了依据，并合理地提出轴的改进方案，大大提高了设计方案的可靠性以及设计效率。 　　? 　　关键词：ANSYS；枕式包装机；低速轴；solidworks；有限元分析? 　　中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2012）003-0092-02?? 　　? 　　作者简介：吴晓敏（1986-），女，湖北荆州人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为机械设计及理论；龚发云（1964-），女，湖北武汉人，硕士生导师，湖北工业大学教授，研究方向为机械设计及理论。 　　 　　 　　枕式包装机的包装过程包括充填、裹包、封口等主要工序以及与其相关的前后工序，如清洗、堆码和贴标等。其主要工序中的封口工序直接关系到包装的质量以及美观价值，而在枕式包装机端封机构动力传递过程中，轴是组成机构的重要零件之一，在机器的正常运转过程中，其主要作用有传递运动和动力、支撑回转零件等。一般在设计过程中设计师综合考虑轴上零件的布局、轴的强度刚度要求来选择及确定轴的材料以及轴的结构尺寸，但在生产制造过程中，由于其它零部件的调整或累计制造误差，可能导致生产出来的轴的强度刚度及疲劳可靠性达不到理想的要求，所以在生产制造物理样机之前，对所设计的轴进行结构静力分析，以此来判断其强度刚度是否满足要求，这样大大地提高了设计效率，同时也缩短了产品研发周期，降低了成本。? 　　1 低速轴的三维实体模型导入? 　　一般在实际工作中，为方便装配、拆卸及减小应力集中，在轴阶梯处都设计有半径不一的倒圆角，在有限元分析中要考虑这些圆角会使网格的划分非常密集而增加分析时间和难度，而实验证明这些圆角对轴的分析结果影响不大，所以在ANSYS分析中可以忽略这些次要的细节，对solidworks中生成的三维实体模型进行简化，去除圆角特征，再将其导入ANSYS划分网格生成有限元模型。? 　　如图1 所示，轴是某型号枕式包装机端封机构的低速轴简化后的solidworks模型，动力由左端键槽轴段通过齿轮输入，其输入扭矩为48N?m，最右端轴是支撑在固定的机架上与轴承配合，其它轴段上支撑质量较轻的回转体零件。其中，齿轮、机架及回转体零件的中心孔轴线重合，所以此处轴的主要作用是传递运动和动力，后面的分析过程中暂不考虑弯矩的影响。? 　　 　　图1 简化后的solidworks模型? 　　2 低速轴的网格划分? 　　对于有限元分析来说，网格划分是最关键的一个步骤，一般在ANSYS中对网格的划分过程一下几个步骤：选定有限元模型中的单元类型；选定建立网格所需要的参数；生成网格；修改及优化有限元网格。? 　　2.1 定义单元类型? 　　确定单元类型是很重要的，为适应不同的分析需要，ANSYS提供了190多种不同的单元类型，从普通的线单元、面单元、实体单元（包括2D和3D单元）到特殊的接触单元、间隙单元和表面效应单元等。在机构静力分析中常用的是前三种，其中线单元一般分析梁、杆类零件，面单元分析薄板及曲面类零件，2D实体单元一般用来分析实体的截面，3D实体单元用于分析几何形状比较复杂而又不能忽略细节的实体结构。? 　　划分面单元可以分为三角形（Tri）和四边形（Quad）；划分体单元可以分为四面体（Tet）和六面体（Hex）。根据有限元的结构分析理论知识可知用3D实体单元来分析结构较复杂而又不能忽略细节的实体结构比较合理，更能反映实际的情况。由于六面体单元一般做映射（Mapped）、拖拉（Sweep）等结构化网格划分，它要求被划分的实体结构比较规则，对于有键槽的低速轴，对其进行六面体网格的自由划分比较困难，而采用四面体单元作自由划分比较灵活，故该模型采用四面体单元Solid45。该单元由八个节点结合而成，每个节点有xyz三个方向的自由度，具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变等特征。? 　　2.2 定义单元材料特性? 　　根据设计图纸，低速轴的材料为45#，特性参数见表1。按材料特性要求依次定义。? 　　表1 低速轴材料特性? 　　材料弹性模量（EX）泊松比（PRXY）密度（DENS） 　　45#2.09e11Pa0.2697 890kg/m?3 　　综合以上特征，对该轴的有限元网格划分模型见图2，从图2中可以看出，网格的划分在受力集中的键槽处进行了局部细化。? 　　 　　3 低速轴的结构静力分析? 　　3.1 约束和加载? 　　由于是静力分析，