第8章

圓軸扭轉(zhuǎn)分析第8章

圓軸扭轉(zhuǎn)分析8.1計(jì)算實(shí)例8.2實(shí)例操作關(guān)鍵點(diǎn)8.1計(jì)算實(shí)例某產(chǎn)品需要一個(gè)傳動(dòng)軸，要求是采用45號(hào)鋼加工，長(zhǎng)度400mm，橫截面形狀有兩個(gè)方案，分別是：采用中空鋼管外徑D1=90mm，內(nèi)徑D2=85mm；采用實(shí)心圓柱直徑D=50mm，如果該傳動(dòng)軸工作時(shí)所受最大扭矩為Mn=1.5KN?m，請(qǐng)從兩種結(jié)構(gòu)承受最大剪應(yīng)力來證明中空鋼管不僅所用鋼材少，而且力學(xué)性能也更優(yōu)。理論分析結(jié)果：從理論計(jì)算結(jié)果可知，中空鋼管

力學(xué)性能更優(yōu)。

下面我們使用ANSYS軟件證明這個(gè)結(jié)論。分析項(xiàng)目名稱直徑50mm實(shí)心軸外內(nèi)(90/85mm)中空軸最大剪應(yīng)力(MPa)61.151.2上下兩端面相對(duì)轉(zhuǎn)角(rad)1.22×10-25.7×10-3兩種結(jié)構(gòu)橫截面積(mm2)1963687最大變形(mm)0.305×10-30.257×10-3返回本章8.2實(shí)例操作關(guān)鍵點(diǎn)1.軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)體零件的網(wǎng)格劃分2.周向自由度的約束3.節(jié)點(diǎn)上施加力矩4.查看傳動(dòng)軸剪應(yīng)力返回本章1.軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)體零件的網(wǎng)格劃分軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)體零件，不滿足體單元映射網(wǎng)格劃分條件，通常采用先在截面的面單元進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分，然后再沿軸線旋轉(zhuǎn)生成規(guī)則體單元。以該實(shí)例為分析對(duì)象，其網(wǎng)格劃分過程為：1.定義一個(gè)面單元plane183，一個(gè)體單元solid186；2.畫出截面形狀，進(jìn)行網(wǎng)格劃分

下一張1.軸對(duì)稱回轉(zhuǎn)體零件的網(wǎng)格劃分3.旋轉(zhuǎn)成體：MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Keypoints>InActiveCS，定義兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)來確定旋轉(zhuǎn)軸線。MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Extrude>ElemExtOpts，，選擇“2SOLID186”單元，在“VAL1”文本框內(nèi)輸入5，選定“ACLEAER”為“Yes”。MainMenu>Preprocessor>Modeling>Operate>Extrude>Areas>AboutAxis，先拾取截面，再拾取剛創(chuàng)建的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)5、6，旋轉(zhuǎn)成體有限元模型。返回本節(jié)2.周向自由度的約束由于傳動(dòng)軸只承受扭矩，由材料力學(xué)知識(shí)可知，此時(shí)，傳動(dòng)軸只能沿周向發(fā)生變形，而徑向尺寸是不變的！針對(duì)這種情況，就需要我們?cè)诜治銮凹s束模型所有節(jié)點(diǎn)的徑向自由度；由前文可知，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系才能用于定義每個(gè)節(jié)點(diǎn)的自由度和節(jié)點(diǎn)載荷方向。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的坐標(biāo)系，在默認(rèn)情況下，它總是平行于全局笛卡爾坐標(biāo)系，而與創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)時(shí)的活躍坐標(biāo)系無關(guān)。當(dāng)在節(jié)點(diǎn)上施加與局部柱坐標(biāo)系方向相同的約束和載荷時(shí)，需要將默認(rèn)節(jié)點(diǎn)直角坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)局部柱坐標(biāo)系上。下一張2.周向自由度的約束具體步驟如下：1.創(chuàng)建局部柱坐標(biāo)系，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將其設(shè)置為活躍坐標(biāo)系；2.MainMenu>Preprocessor>Modeling>Move/Modify>RotateNodeCS>ToActiveCS，拾取節(jié)點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)選節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系到當(dāng)前活躍坐標(biāo)系。MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Displacement>OnNodes，在“Lab2”中選擇UX，約束所選節(jié)點(diǎn)的X方向（即徑向）自由度。返回本節(jié)3.節(jié)點(diǎn)上施加力矩作用在軸兩端的力矩可以這樣來處理：約束軸一個(gè)端面的所有自由度，把力矩?fù)Q算成力加載在位于軸另一端面與外圓柱面相交的圓上的所有節(jié)點(diǎn)之上。因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)上的力臂等于外圓柱面的半徑，且力的方向?yàn)橹鴺?biāo)系的圓周方向，故力的大小可通過下式計(jì)算得到：式中M代表力矩，R外圓柱面的半徑，N為節(jié)點(diǎn)數(shù)。如以本題為例：F=1500/(40×0.045)=833.33N。返回本節(jié)4.查看傳動(dòng)軸剪應(yīng)力要想查看傳動(dòng)軸所受剪應(yīng)力，就必須把傳動(dòng)軸剖開，因?yàn)橹挥袃?nèi)部才有剪應(yīng)力，其操作步驟為：1.選取部分模型：UtilityMenu>Select>Entities，如圖所示，選取Z坐標(biāo)值從0到0.2的所有節(jié)點(diǎn)；再次選擇附著在節(jié)點(diǎn)上的所有單元。2.查看剪應(yīng)力UtilityMenu>Plot>Results>ContourPlot>ElemSolutio