计算机辅助课程设计说明书
题目: 基于ANSYS的轴类零件有限元分析_
学 院： _ 机电工程学院__ 专业班级：__ _1 学 号： __ 姓 名： 指导教师：
基于ANSYS的轴类零件有限元分析
摘要：文中根据实际机械运动轴类零件的结构特点，采用空间块体单元对该结构进行有限元离散，计算施加在轴两端面的载荷分布，及零件内部个各点的应力、应变场分布，并对计算结果进行讨论。为实际机械运动提供准确的设计依据。
前言：
轴是穿在轴承中间或车轮中间或齿轮中间的圆柱形物件，但也有少部分是方
型的。轴是支撑转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩、或弯矩的机械零件。一般为金属圆杆状，各段可以有不同的直径。轴的工作能力一般取决于强度和刚度，转速高速时还取决于振动的稳定性。传统的解析法在计算轴的承载性能时存在较大误差。
有限元单元法是利用电子计算机进行数值模拟分析的方法。ANSYS软件作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件，不仅有几何建模的模块，而且也支持其它主流三维建模软件，目前在工程技术领域中的应用十分广泛，其有限元计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。文章在基于有限元分析软件ANSYS的基础上对对称轴两端受载荷的应力、应变场分布进行分析。
一． 问题分析求解
如图所示为一轴类零件结构示意图，在其两端施加P=50Mpa的均布载荷，求零件内部各点的应力、应变场分布。零件材料弹性模量为220Gpa,泊松比为 0.3。
A B
二．轴有限元模型
2.1 建立轴有限元模型
该轴为左右对称结构，ANSYS在INVENTOR中建立该轴的三维模型，通过接口
导入ANSYS中，如图1所示。该短应力线轧机轴采用Solid 92单元，此单元是一个高阶3维20节点固体结构单元，每个节点有3个沿x、Y和z方向平移的自由度，具有二次位移模式，主要适用于位移、变形等方面。如果要求精度高，可较好地剖分；如果要求精度不高，由于单元本身是高阶单元，使用稍微弱一点的网格也可行，能够用于不规则形状，且不会在精度上有任何损失。材料属性为 ZG35CrMo，其弹性模量E：220GPa，泊松比：0．3，两端施加的力为：50Mpa.
图 1 轴的模型
图2轴网格划分
2.2网格划分
网格划分的过程就是结构离散化的过程，通常划分的单元越多越密集，就越能反映实际结构状况，计算精度越高，计算工作量越大，计算时间增长。由于轴的结构属于局部不规则几何体，因此采用自动划分法进行网格划分，该划分方法能够在规则与不规则几何体之间自动切换，将单元尺寸设置为 SIZE=7，得到轴有限元模型的总节点数为 98053，总单元数为 76941，如图2所示。
2.3 载荷与边界条件
上部所述的轴在制造过程中的受力情况如图 3 所示。根据轴的受力特点，以力载荷的形式施加到模型上，本文假设轴两端面受力 F，轴的 A端面受到的载荷为 P=50Mpa，轴的 B端面受到的载荷为 -50Mpa,这是由于该轴具有对称性，因为，如果弹性体的几何形状，外载荷条件以及约束条件都是对称于某一平面的，在对称面上得到下面这一规律，假设对称面上的某一点有指向B面得法向位移，为保证对称性，这一点也必须有一指向 A 面的法向位移。
三、 计算结果分析
3.1 弹性变形分析
轴在拉力的作用下产生的变形结果如图4所示，大部分的变形量纳米级之间，极其微小。因此可以看出，轴的弹性变形量很小，能保证其在两端载荷为50Mpa载荷下正常工作。
图3载荷的施加
图4轴的变形
3.2应力、应变分析
节点受力前后变形如图5、图6所示，从图中可以看出，在进行图形显示结
果处理和数据结果分析过程之后可以发现，在阶梯之间存在应力集中，需要进行保护，因此在制造过程中阶梯处应做成倒角。
图 5
图 6
通过应力与应变分析可知，轴的有限元模型的建立、分析结果是客观的，较为真实的反映了轴在受载荷的作用下的承载特性，且满足设计要求。
结论
综上所述，应用ANSYS软件对轴进行有限元分析，通过仿真其工作状态，在设计阶段就可以得到轴的弹性变形量和应力分布情况，从而对轴进行承载能力研究，为保证工程设计质量及对现场设备的使用情况具有一定得指导意义。
参考文献
【1】 高耀东，刘学杰。ANSYS机械工程应用精华50例【M】。北京：电子工业
出版社，2011；107，
【2】 机械设计手册。机械工业出版社，2000，6
【3】 ANSYS 12 基础教程与实例详解。中国水利水电出版社，1010，10 【4】 纪明刚。机械设计【M】。北京：高等教育出版社，2006；376
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