馬達(dá)軸有限元分析

吳新江,黃昕龍（福建江夏學(xué)院,福州 350105）

馬達(dá)軸有限元分析

吳新江,黃昕龍
（福建江夏學(xué)院,福州 350105）

本文在pro/e中對(duì)液壓馬達(dá)中的關(guān)鍵零件馬達(dá)軸建立三維模型，將該模型導(dǎo)入ANSYSworkbench中，將某工況下的受力情況加載在軸上進(jìn)行強(qiáng)度分析，分析結(jié)果表明，在此工況下，該軸的強(qiáng)度完全滿足使用條件。

馬達(dá)軸；網(wǎng)格劃分；有限元分析

0　前言

液壓傳動(dòng)是能量轉(zhuǎn)換裝置的一種傳動(dòng)形式，以液體作為工作介質(zhì)的能量傳遞。它運(yùn)用動(dòng)力裝置，將裝置中帶壓力能的液體通過輔助部分、控制部分等裝置后，由執(zhí)行裝置進(jìn)行能量再次轉(zhuǎn)變并對(duì)外做功，驅(qū)動(dòng)負(fù)載并實(shí)現(xiàn)需要的直線或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓馬達(dá)是一種以液體為傳輸介質(zhì)，將液壓泵提供的液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置，是液壓系統(tǒng)中的重要執(zhí)行元件，其有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小、傳遞效率高、輸出扭矩大、可以實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速、輸出不受負(fù)載影響等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于船舶、工程機(jī)械、行走機(jī)械、液壓機(jī)具、航空及航天等領(lǐng)域。液壓馬達(dá)由定子、轉(zhuǎn)子、馬達(dá)軸、葉片、密封圈、螺栓等零件組成。馬達(dá)軸作為馬達(dá)中重要的零部件，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響到馬達(dá)的使用性能。

1　馬達(dá)軸有限元模型的建立

有限元分析是一種有效的數(shù)值分析方法，其本質(zhì)是將連續(xù)的實(shí)體進(jìn)行離散，使之成為有限數(shù)量和有限大小的單元體,這些構(gòu)件由節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)并傳遞，將離散化的有限單元體替代原來的連續(xù)結(jié)構(gòu)體來分析應(yīng)力和變形。根據(jù)力學(xué)的解題方法,應(yīng)用有限元方法逐個(gè)分析單元的力與位移關(guān)系,依據(jù)設(shè)定的邊界條件計(jì)算整體連續(xù)結(jié)構(gòu)的力與位移關(guān)系,運(yùn)用節(jié)點(diǎn)的傳遞解出各結(jié)點(diǎn)的位移,然后根據(jù)這些位移分析各個(gè)離散單元的應(yīng)力與應(yīng)變。在pro/e中建立馬達(dá)軸的三維模型，建模過程中，為了方便分析，對(duì)馬達(dá)軸的部分細(xì)節(jié)進(jìn)行合理的簡化，如圖1，軸長1342mm，最大直徑210mm，最小直徑173mm，馬達(dá)軸的模型如圖1所示，軸采用45鋼，其屈服極限為355Mpa，抗拉強(qiáng)度為600Mpa，密度為7.85X10-6kg/mm3，彈性模量為206Gpa，泊松比為0.269。

1.1馬達(dá)軸網(wǎng)格劃分

ANSYSworkbench中，打開structure模塊，將pro/e中建立的馬達(dá)軸模型導(dǎo)入并進(jìn)入mech模塊，對(duì)軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分作為有限元模型建立時(shí)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其需要考慮的問題較多，需要的工作量較大，耗費(fèi)的時(shí)間較多,網(wǎng)格劃分的結(jié)果對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算量將產(chǎn)生直接影響，單元格長度、網(wǎng)格數(shù)量和網(wǎng)格疏密程度等網(wǎng)格參數(shù)決定網(wǎng)格劃分質(zhì)量，網(wǎng)格體劃分中主要有六面體和四面體網(wǎng)格，六面體網(wǎng)格的計(jì)算精度會(huì)高于四面體網(wǎng)格，通過控制每個(gè)單元的此存來控制網(wǎng)格的數(shù)量，一般來講，網(wǎng)格數(shù)量越多，模型的計(jì)算結(jié)果會(huì)越準(zhǔn)確，但是網(wǎng)格太密，數(shù)量太多，對(duì)計(jì)算設(shè)備的要求越高，計(jì)算時(shí)間長，成本會(huì)相應(yīng)的增加，因此本模型采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，適當(dāng)?shù)目刂凭W(wǎng)格大小，同時(shí)對(duì)鍵槽、軸肩、倒圓和倒角處適當(dāng)處理，生成的馬達(dá)軸的網(wǎng)格模型如圖2所示。

1.2馬達(dá)軸載荷分布

轉(zhuǎn)子通過鍵帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，軸通過鍵將運(yùn)動(dòng)和力傳給執(zhí)行運(yùn)行機(jī)構(gòu)，因此該軸的兩個(gè)鍵槽的側(cè)面受力，在軸的支撐部位有軸承的支撐，兩個(gè)裝軸的部位也受力，同時(shí)該軸受自身的重力作用。將上述分析的力，計(jì)算后在ANSYSworkbench中將力加載在模型對(duì)應(yīng)的位置。本文對(duì)馬達(dá)軸做靜強(qiáng)度分析，因此，將模型固定即可，在求解器里面設(shè)置需要求解的參數(shù)，本文中研究的是馬達(dá)軸的靜強(qiáng)度，將應(yīng)力和應(yīng)變作為求解參數(shù)加入到求解器即可。

2　馬達(dá)軸靜強(qiáng)度分析

通過計(jì)算，馬達(dá)軸的結(jié)果如圖3、4所示，其中圖3為馬達(dá)軸應(yīng)力分布云圖，圖4為馬達(dá)軸位移分布云圖，從圖3中可以看出，軸上應(yīng)力最大值為27.5Mpa，應(yīng)力較大的區(qū)域出現(xiàn)在鍵槽和軸的端面處，最小值為不到1Mpa，最大應(yīng)力小于材料的屈服極限355Mpa，圖4可以看出，馬達(dá)軸的最大的變形量為0.09mm，最大變形較小，在可控范圍內(nèi)。在此工況下，馬達(dá)軸的最大應(yīng)力和應(yīng)變都在允許的可控范圍內(nèi)，且其最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，滿足馬達(dá)軸剛度設(shè)計(jì)要求。

3　結(jié)論

采用有限元方法分析機(jī)構(gòu)的應(yīng)力和變形，其優(yōu)勢(shì)在于除了可以處理復(fù)雜邊界條件及多種工況外，還能處理不連續(xù)的邊界條件和載荷條件問題，可以解決很多機(jī)構(gòu)內(nèi)部包含不連續(xù)性的復(fù)雜難題，可以模塊化編程，能夠求得更接近實(shí)際情況的應(yīng)力和位移分布，計(jì)算結(jié)果可以為工程實(shí)際應(yīng)用提供重要的參考。本文通過在pro/e中建立實(shí)際的馬達(dá)軸三維模型，并將某一工況下的受力情況施加在模型上進(jìn)行有限元分析，分析計(jì)算的結(jié)果表明，在此工況下，該軸強(qiáng)度完全滿足使用的需求，結(jié)果同時(shí)表明可以在此數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)該軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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吳新江（1986-），男，湖北咸寧人，福建江夏學(xué)院，碩士研究生，助教，研究方向：機(jī)械制造.