基于ANSYS Workbench頂輪軸的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

新興重工湖北三六一一機(jī)械有限公司 （襄陽(yáng) 441002） 徐長(zhǎng)成 譚成頂 李存靖 張 瑜

湖北鼎譽(yù)環(huán)?？萍加邢薰?（襄陽(yáng) 441003） 龔欣榮

1. 頂輪及頂輪軸

頂輪是某特種裝備的一個(gè)關(guān)鍵部件，是利用鋼絲繩來(lái)實(shí)現(xiàn)重物起升的一種裝置，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中拉力在T=2 000～10 000N之間變化。

頂輪軸作為頂輪的主軸，承載著頂輪對(duì)其施加的載荷，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到頂輪的安全性，因此對(duì)其強(qiáng)度校核十分必要，同時(shí)對(duì)其φ8mm內(nèi)孔尺寸進(jìn)行優(yōu)化，減輕其質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)裝備的輕量化。頂輪軸模型如圖2所示。

圖1 頂輪

圖2 頂輪軸

2. 幾何模型

考慮到網(wǎng)格的質(zhì)量，幾何建模過(guò)程中，對(duì)一些工藝尺寸如倒角、圓角進(jìn)行了忽略。考慮幾何對(duì)稱性，取1/2幾何模型進(jìn)行分析（見(jiàn)圖3）。

圖3 頂輪軸1/2幾何

3. 材料模型

頂輪軸材料為45鋼，其彈性模量為209GPa，泊松比為0.269，屈服強(qiáng)度為355MPa。

4. 網(wǎng)格模型

為便于邊界條件及載荷的施加，對(duì)原幾何模型進(jìn)行了分塊處理，幾何接觸面均采用bonded形式，此接觸方式對(duì)原結(jié)構(gòu)力的傳遞沒(méi)有造成影響。

網(wǎng)格采用純六面體劃分，網(wǎng)格平均質(zhì)量0.89，最小值0.75，最大值0.99（見(jiàn)圖4）。

圖4 頂輪軸1/2網(wǎng)格模型

5. 載荷及邊界條件

如圖5a、圖5b、圖5c所示，頂輪軸兩側(cè)與支撐架接觸處采用固定支撐，頂輪對(duì)頂輪軸的壓力采用一面力表示，取最大值F=10 000N，對(duì)稱面采用無(wú)摩擦約束。

圖5 頂輪軸載荷及邊界條件

6. 求解

根據(jù)材料力學(xué)，對(duì)于45#鋼，采取第四強(qiáng)度理論校核，等效應(yīng)力von Mises應(yīng)力公式

圖6 φ8mm內(nèi)孔頂輪軸的等效應(yīng)力

對(duì)于φ8 m m內(nèi)孔，其最大值為σSVmax=184.17MPa（見(jiàn)圖6）。

取安全系數(shù)n=1.5，即最大等效應(yīng)力應(yīng)≤355/n=236.67MPa，由此判斷φ8mm頂輪軸的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，但該值明顯大于184.17MPa，頂輪軸有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，以減輕其質(zhì)量。

7. 優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用ANSYS Workbench實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中Response Surface模塊可對(duì)頂輪軸內(nèi)孔進(jìn)行探測(cè)優(yōu)化，使其質(zhì)量最?。芏炔蛔儯韵掠皿w積表示），具體參數(shù)如下。

輸入變量：內(nèi)孔直徑（D a t a1），初始值Data1=8mm。

輸出變量：最大等效應(yīng)力（Equivalent Stress Maximum），體積（Geometry Volume），初始值分別為184.17MPa，24 614mm3。

圖7 Response曲線

由圖7可知，最大等效應(yīng)力236.67MPa對(duì)應(yīng)Data1≈16.3mm。

取Data1=16mm，其對(duì)應(yīng)等效應(yīng)力最大值為235.18MPa，體積為19 336mm3（見(jiàn)圖8）。

圖8 φ16mm內(nèi)孔頂輪軸的等效應(yīng)力

8. 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，該頂輪裝置采用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中運(yùn)轉(zhuǎn)良好，并未出現(xiàn)大變形或裂紋。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，頂輪軸體積縮小21.44%，有效地減輕了零件質(zhì)量。等效應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在支撐架與頂輪軸接觸內(nèi)邊緣，有進(jìn)一步更改結(jié)構(gòu)、優(yōu)化的可能。

[1] 孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來(lái)泰. 材料力學(xué)(Ⅰ)［M］. 5版. 北京：高等教育出版社，2009.

[2] 孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來(lái)泰. 材料力學(xué)(Ⅱ)［M］. 5版. 北京：高等教育出版社，2009.

[3] 浦廣益. ANSYS Workbench 12基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解.北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

專家點(diǎn)評(píng)

ANSYS軟件常用來(lái)分析零件受力情況，該文對(duì)網(wǎng)格劃分、載荷情況、幾何模型、材料模型及優(yōu)化設(shè)計(jì)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)都做了較清晰的描述，對(duì)讀者有一定的指導(dǎo)意義。