《基于Ansys的旋转轴件静力学分析》（作者：安松先生）

摘要：旋转轴系作为机械传动的重要基础构件，在实际工程实践及前沿科学研究中都极为重要。传统的设计研发过程在进行设计方案的合理性检测时，需要根据设计研发的图纸制作出实体模型进行测试试验，然后，再根据试验测试的结果对设计方案进行优化设计。其设计的性质导致整体的研发周期长、经济成本高、设计研发数据难收集存储、设计研发思路和成果不容易进行分享交流。

关键词：轴；优化；Ansys；旋转轴系

中图分类号：TU208   

文献标识码：A 

文章编号：1671-0711（2020）05（下）-0121-03

        设计、研发过程引入计算机进行辅助设计，方案设计阶段采用三维建模软件进行设计思路的展现、结构设计阶段引入有限元分析软件（如 Ansys Workbench） 进行结构的优化设计及各项数据分析等，在缩短设计的周期的同时，能够降低设计过程的工作强度、削减设计投入及有效地保证设计过程数据的收集与分享。旋转轴系在研发的过程中，主要针对轴的结构进行试验，检测轴结构对对应工作环境的适应情况。前期产品定型试验完成后，通过对轴的质量进行校核检测，发现整体轴的设计缺陷和材料及加工工艺的缺陷，方便后续进行进一步的优化设计。纵观整个轴研制过程，轴试验是设计研发及制造的重要组成部分，是保证设计成果高质量的基本保障。

1.1 三维模型建立

        轴系主轴的设计尺寸根据国标 GB/T297-1994、GB/T283-1994、GB/T812-1988、GB/T886-1986 进行基本的设计，实验加载方式采用双点跨式的支承方式。实验轴系的主轴作为试验机的试验核心运转部件，采用的材料是 40Cr，考虑实际轴的工作要求和装配要求， 对试验主轴的结构进行了局部的优化设计。

        模型采用 Solid Works 进行模型设计，模型的建立包含几何建模、材质建模及节点建模，对核心模拟构件旋转主轴进行数据建模，其他配合构件采用标准构件库进行选型分析。

1.2 静力学模型建立

        试验轴系主轴在工程机械中作为核心传动和支撑构件，对于其设计要求极为苛刻，在满足其刚度的同时， 还要主轴具有极强的扭转特性。

        针对实验主轴的线性静态结构分析（Lines Static Structure Analysis）主要用于计算整体或者局部在固定不变的载荷作用下的结构效应，它不考虑惯性及阻尼的影响。

        Ansys Workbench 静力学有限元分析以经典力学理论中的物体动力为研究基础进行整体或部分的静力学分析，其动力学通用方程如下：

        式中，[M] 为矢量矩阵，[C] 为阻尼矩阵，[K] 为刚度系数矩阵，｛x｝为位移矢量，｛F｝为力矢量。静力学分析过程中的各个量与时间是无关函数，因此，位移｛x｝可由如下的方程进行求解：

        静力学分析包括计算载荷（惯性与阻尼效应不考虑）作用于目标对象所引起的位移、应变、应力和力等。在分析过程中，对载荷与结构的响应定义为不变或响应随时间的改变极为缓慢。

1.3 仿真数据模型建立

        轴系装配的部件是在 SolidWorks 软件装配界面进行虚拟装配，通过 Ansys 外接数据端口进行数据导入， 对模型体的各项参数进行定义，主要包含模型的接触面定义、轴系的网格划分、载荷约束添加、杨氏模量（Young Modulus）和泊松比（Poission’s Ratio）的定义。

        通过仿真 Ansys Workbench 求解内容在 Solution 菜单进行添加，试验轴系整体装配的求解内容主要包括应力云图（Equivalent Stress）、应变云图（Equivalent Elastic Strain）、总形变云图（Total Deformation）及各向形变云图（Deformation），其中，各向形变云图主要求解 x、y、z 三个坐标轴的分布情况。

2.1 应力、应变云图分析

        轴上的载荷经简化之后主要包括：轴向加载，作用于加载轴承工作区域；径向加载，作用于试验轴承与轴肩接触的位置；扭矩作用与试验主轴的伸出端，简化为作用于键槽侧面的作用力。施加加载载荷时，采用Bearing Load 作为轴向加载载荷类型。

        由图 3 和图 4 分分析可知：等效应变的分布基本沿着一对加载轴承的隔离轴肩对称分布，最大的等效应变发生位置在两端圆螺母的安装位置，属于微小形变，对试验轴系的稳定性基本无影响；等效应力的分布与等效应变的分布规律基一致，其最大值为，小于屈服强度许用值，因此，设计符合安全要求，同时，通过对应力及应变的分布图可以直观地看出轴颈端部位置为应力的主要集中点，也是产生应力形变的主要位置。

2.2 形变分析

        试验主轴的形变量对整个试验轴系，甚至整个轴承试验机的性能都有影响，对轴承试验机的试验主轴进行形变的分析能够防止过量的形变导致的试验轴系设计不符合标准的情况。

        图 5 分别对应 x、y、z 三个坐标轴分量对应的形变分布情况、总形变的分布云图。其中 x 轴对应的最大形变量为 0.0022593mm、y 轴对应的最大形 变 量 为 0.00065217mm、z 对 应 的 最 大 形 变 量 为0.00071733mm。各项形变值小于 5‰， 满足实际的设计要求。

        试验主轴总体形变云图，形变最大值在圆螺母在轴上的接触位置，值为 0.0027352mm，属于微小形变， 不影响试验轴系的整体工作性能，因此，对于旋转轴系， 应充分考虑轴后续加工的材料力学性能的处理及材料表面抗疲劳磨损的处理。

2.3 试验主轴分布图表分析

        通过有限元分析得到的分布云图可以直观地感知应力、应变及形变在轴上的分布，但是，对于对应位置的值分布情况不直观，因此，为更进一步了解应力、应变和形变在沿着试验主轴的数值分布情况，以试验主轴的左端端面中心几何坐标原点，将有限元云图各对应点的最大值导入 Origin 软件中进行图表的分析，通过数值图表更直接的了解其趋势变化规律。

        Origin 是一款专业的绘图软件，其绘图过程主要包括数据导入、数学模型关系建立、图表曲线分析等步骤。本次的数值分析步骤为：数据导入，数据缺省分析，数据矩阵化处理，曲线和曲面图表分析几个步骤。

        图 6、7 是试验试验主轴应力 - 应变、应力 - 形变两组参数在试验主轴上的值分布曲面。由分布图分析可知，应力和应变和应力形变两组关系量在轴上的分布存在一定的对称关系。同时，由图分析可知道，应变和形变的变化趋势与应力值的变化趋势基本一致，充分说明应力与应变和形变的产生相关。

        从以上的两个分析图表中，我们能够直观地分析应力、应变及形变之间的相关性，但是，依旧缺乏数值的直观印证，同时，对于其极限值的分析也缺乏数值支持，因此，对整个图组的数据进行数值的整理和分析， 得到了应力、应变和形变沿主轴的分布情况。

        图 8 是应力、应变及形变在试验主轴上的数值分布情况。根据图表图可得出以下的分析：（1）整体沿着试验主轴上距离轴左端面位置有对称趋势；（2）应力、应变及形变的曲线变化趋势一致，形变的峰值位置对应应力和应变的峰值位置；（3）三者的大值集中分布区域在两段圆螺母区域和中间的加载轴承工作区域；（4） 应变和形变的最大值远小于 5‰，对于设计整体的稳定性基本无影响。由如上分析总结可知，设计的试验轴系的试验主轴工作静力学强度完全满足工作要求，符合设计的安全性，同时，也要求在对该类零件的加工时，要考虑材料的受力分布情况。

        由旋转轴系构件在 Ansys 软件环境下的静力学分析数据模型，可将实际轴构件的加工进行一定程度优化处理，从 而对实际的加工工程提供参考。

3.1 轴系构件轴径差异位置加工工艺处理

        由应变及应力在静力学分析的云分布图可知，应力集中在存在结构突变的位置，这会直接导致结构在该位置形变概率激增，因此，科对该位置结构采取圆角、倒角等方式降低激变率，有效降低旋转轴件的结构损伤。

3.2 长跨度轴系结构异变处理

        应力、应变及形变分布曲线可以知道，以简支梁方式布置的旋转轴件其应力、应变及形变具有对称性、支点集中分布性，因此，对于长直构件，为保证其旋转轴件的稳定性，可适当地在形变最大位置增设支点，从而实现长直旋转轴件性能的稳定性。

3.3 轴系构件表面热处理加工优化

        对于轴件的高磨损位置，科对其进行材料的表面淬火，实现该区域的淬硬性，从而增加疲劳磨损强度， 有效增加轴件该分区使用寿命；同时，对于旋转轴件的连接、跨接位置，应当增加材料的抗拉、扭性能，应道在轴件材料热处理的回火阶段进行优化处理，确保材料的性能，从而保证轴件的使用性能。

        旋转轴在现代施工机械中不可撼动的位置，无不彰显了其重要性。因此，在传统制造业的基础上，通过软件分析模拟，提前对机械结构件的设计进行模拟分析，从而实现设计的优化，进而降低实际加工过程中的容错率。

参考文献：

[1] 李兵，宫鹏涵 .ANSYSl4.0 有限元分析自学手册 [M]. 北京 : 人民邮电出版社，2013．

[2] 黄聚钱， 郭长健 . 一种钻具轴承试验机 . 中国，发明专利， CN105890900A.2016.08.24.

[3] 汪世益 . 有限元分析装配体连接方法 [A]. 机械工程自动化 :20-22.

[4] 车兆华 . 基于 ANSYS Workbench 的投料机传动轴设计 [A]. 建材世界 :62-64.

[5] 孙妍 .ANSYS 在轴类零件有限元分析中的应用 [A]. 制造业信息化 :40-41.