半軸三維造型及有限元分析123

1、摘 要半軸設(shè)計(jì)是汽車設(shè)計(jì)中最重要、承載較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)件之一，對(duì)半軸的強(qiáng)度分析一直受到設(shè)計(jì)者的重視。由于半軸的幾何形狀、邊界條件和作用載荷都非常復(fù)雜，按照傳統(tǒng)的方法進(jìn)行試驗(yàn)研究難度較大，這就要求我們采用新的研究方法來(lái)研究和分析半軸。本文先通過(guò)運(yùn)用PROE繪圖軟件，繪制半軸三維實(shí)體模型，然后運(yùn)用ANSYS分析軟件對(duì)半軸進(jìn)行強(qiáng)度分析，通過(guò)對(duì)半軸模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、半軸負(fù)載及邊界條件的設(shè)定，計(jì)算求解得出半軸應(yīng)變分布圖及應(yīng)力分布圖，從而找出半軸易破壞部位，尋找到提高半軸強(qiáng)度的措施。設(shè)計(jì)半軸時(shí)，取用較大的過(guò)渡圓角，以提高其疲勞強(qiáng)度。關(guān)鍵詞：半軸，有限元，強(qiáng)度，ANSYS，PROEAbstractThe sem

2、iaxis is one of the most important motion parts, which bears the most complex load, and continuously the semiaxis intensity analysis is valued by the designers. It is much too difficult to carry on the experimental study by the traditional method for the geometry shape of semiaxis, boundary conditio

3、n and extremely complicated function load, so a new research technique to study and analyze semiaxis is requested to use. PROE cartography software is utilized in this thesis to protract semiaxix three dimensional full-scale mockups, then the intensity analysis for the semiaxis by using ANSYS analys

4、is software is carried on. The semiaxis strain distribution map and the stress distribution map are obtained through carrying on the grid division, the semiaxis load and the boundary condition hypothesis to the semiaxis model, thus the exposed destructive position in the semiaxis can be discovered,

5、and some ways are seeked to enhance the semiaxis intensity. When designing the semiaxis, the bigger transition fillet can be used to enhance the anti-fatigue strength.Key word: semiaxis, Finite element, Intensity, ANSYS,PROE目 錄摘 要IAbstract（英文摘要） = 2 * ROMAN II目 錄 = 3 * ROMAN III TOC o t 標(biāo)題 3,3,標(biāo)題 4,

6、4 第一章 引 言1課題的背景1汽車半軸相關(guān)介紹11.3 課題的主要研究?jī)?nèi)容及意義3 TOC o 1-4 第二章 重型汽車半軸的三維實(shí)體建模4 Pro/ENGINEER 概述42.1.1 Pro/ENGINEER系統(tǒng)簡(jiǎn)介42.1.2 Pro/ENGINEER系統(tǒng)特點(diǎn)42. Pro/ENGINEER的應(yīng)用現(xiàn)狀62.2 Pro/ENGINEER的工作環(huán)境和系統(tǒng)設(shè)置72. 硬件要求72.2.2 操作系統(tǒng)設(shè)置72.2.3 基本功能102.3 半軸三維實(shí)體建模過(guò)程12 TOC o 1-4 第三章 汽車半軸強(qiáng)度的有限元分析203.1 ANSYS 概述20.1 ANSYS簡(jiǎn)介203.1.2 ANSYS的主要

7、功能和技術(shù)特點(diǎn)203.1.3 ANSYS的系統(tǒng)要求213. ANSYS的基本分析過(guò)程223.1.5 ANSYS的發(fā)展和應(yīng)用223.2 ANSYS菜單和窗口介紹233.3 基于ANSYS的重型汽車半軸強(qiáng)度分析253.3.1 汽車半軸的導(dǎo)入253.3.2 計(jì)算工況與計(jì)算載荷263.3.3 網(wǎng)格劃分283. 載荷的分析和處理313. 三維有限元的計(jì)算結(jié)果33 TOC o 1-3 h z 結(jié)論37 TOC o 1-4 參考文獻(xiàn)39 TOC o 1-3 h z TOC o 1-3 h z TOC o 1-3 h z 致謝及聲明40第一章 引 言 課題的研究背景半軸是汽車設(shè)計(jì)中最重要、承載最復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)件之

8、一，對(duì)半軸的強(qiáng)度分析一直受到設(shè)計(jì)者的重視。確定半軸應(yīng)力應(yīng)變狀況的方法有兩種: 一是利用模擬或模型試驗(yàn)以至零件的實(shí)際試驗(yàn)來(lái)確定; 二是利用計(jì)算來(lái)確定。在利用計(jì)算來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí), 傳統(tǒng)的截?cái)嗪?jiǎn)支梁法和連續(xù)梁法由于作了太多簡(jiǎn)化, 因此難以保證計(jì)算精度。隨著有限元計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，用有限元法對(duì)半軸進(jìn)行強(qiáng)度分析已成為半軸設(shè)計(jì)、校核分析中常用的方法。目前，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平的提高，分析模型的建立漸漸趨向?qū)嶋H，提高了模擬計(jì)算的精度，更好地模擬工程實(shí)際情況。為了更好地研究汽車半軸在其工作過(guò)程中的受力情況 ,本文通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)的方法, 對(duì)其進(jìn)行了有限元分析。本文應(yīng)用Pro /Engineer軟件

9、建立曲軸的幾何模型,再將半軸的幾何模型導(dǎo)入ANSYS軟件中,對(duì)半軸模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)有限元分析。通過(guò)分析得知,半軸過(guò)渡圓角處的應(yīng)力較大,最后針對(duì)圓角對(duì)半軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。1.2 汽車半軸相關(guān)介紹半軸的形式主要取決于半軸的支承形式。普通非斷開(kāi)氏驅(qū)動(dòng)橋的半軸，根據(jù)其外端支撐形式或受力狀況的不同可分為半浮式，3/4浮式和全浮式三種。(1) 半浮式半軸半浮式半軸以其靠近外端的軸頸直接支承在置于橋殼外端內(nèi)孔中的軸承上，而端部則以具有圓錐面的軸頸及鍵與車輪輪轂相固定，或以凸緣直接與車輪輪盤(pán)及制動(dòng)鼓相連接。因此，半浮式半軸出傳遞轉(zhuǎn)矩外，還要承受車輪傳來(lái)的垂向力，縱向力及側(cè)向力所引起的彎矩。由此可見(jiàn)，半浮式半軸所承

10、受的載荷較復(fù)雜，但它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量小，尺寸緊湊，造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，故被質(zhì)量較小，使用條件較好，承載負(fù)荷也不大的轎車和微型客，貨汽車所采用。(2)3/4浮式半軸 3/4浮式半軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是半軸外端僅有一個(gè)軸承并裝在驅(qū)動(dòng)橋殼半軸套管的端部，直接支承著車輪輪轂，而半軸則以其端部與輪轂相固定。在這種結(jié)結(jié)構(gòu)中，如車輪中心和軸承中心重合，縱向力與垂向力由車輪直接傳給橋殼半軸套管，而側(cè)向力產(chǎn)生的彎矩，由于一個(gè)軸承的支承剛度較差，將部分的傳給半軸。假如車輪與軸承中心間的距離不等于零，則雖然縱向力及垂向力經(jīng)軸承傳給橋殼半軸管套來(lái)共同承受，即3/4浮式半軸還需要承受部分彎矩，其比例大小依半軸的剛度，軸承的結(jié)構(gòu)形

11、式及其支承剛度，安裝尺寸等因素決定。與半浮式半軸相比，此處的車輪中心與軸承中心距離要比半浮式的小，3/4浮式半軸的載荷工況也有所改善，但比全浮式半軸的載荷工況差。側(cè)向力引起的彎矩使軸承有歪斜的趨勢(shì)，這將急劇降低軸承的壽命。3/4浮式半軸的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輕便，也可以采用簡(jiǎn)單的圓錐表面與鍵和輪轂的連接方法，因此可采用于轎車和微型，輕型客、貨車，但未得到推廣當(dāng)此種半軸外端處的半軸套管上安裝不能承受軸向力的圓柱滾子軸承時(shí)，半軸則必須與半軸齒輪制成一體，在此情況下，軸向力將傳到差速器殼的軸承上。（3）全浮式半軸全浮式半軸的外端和以兩個(gè)軸承（且?guī)缀跞脠A錐滾子軸承）支承與橋殼的半軸套管上的輪轂相連接。由

12、于車輪所承受的垂向力、縱向力、側(cè)向力以及由這些力所引起的彎矩都經(jīng)過(guò)輪轂、輪轂軸承傳給橋殼，因此全浮式半軸只承受傳動(dòng)系的轉(zhuǎn)矩而不承受彎矩。但在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，由于零件加工精度和裝配精度的影響及橋殼、軸承支承剛度的不足等原因，仍可能使全浮式半軸的驅(qū)動(dòng)橋外端結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需采用形狀復(fù)雜且質(zhì)量及尺寸均較大的輪轂，制造成本較高，故小型汽車及轎車等不必采用這種結(jié)構(gòu)。但由于其工作可靠，故廣泛用于輕型及以上的各種載貨汽車、越野汽車和客車上。在現(xiàn)代汽車全浮式半軸的結(jié)構(gòu)中，幾乎都采用一對(duì)圓錐滾子軸承支承輪轂，并且兩軸承的圓錐滾子的錐頂應(yīng)相向安裝，軸承應(yīng)有一定的預(yù)緊，調(diào)整好用鎖緊螺母予以鎖緊端部鍛成凸緣（法蘭）的為最常

13、見(jiàn)，在重型汽車上，有時(shí)將半軸外端制成花鍵，以花鍵與輪轂連接。也有采用齒輪套作為連接半軸與輪轂的中間零件的結(jié)構(gòu)，這時(shí)可使半軸在實(shí)際上不承受彎矩而成為名副其實(shí)的全浮式半軸近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,有限元方法(FEM) 已經(jīng)成為汽車零件設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、診斷和失效分析不可缺少的工具。有限元技術(shù)在半軸的強(qiáng)度研究中的應(yīng)用,為精確而全面地計(jì)算半軸的應(yīng)力提供了可能,已有許多文獻(xiàn)利用有限元方法得出了有效的結(jié)果。半軸是空間構(gòu)件,從對(duì)實(shí)際形狀的逼近和邊界條件的模擬來(lái)說(shuō),三維有限元模型最為理想,并且由于二維模型不能求解實(shí)際工況下的空間應(yīng)力分布,因此,隨著當(dāng)前計(jì)算機(jī)軟、硬件發(fā)展水平的提高,三維有限元模型得到了越來(lái)越廣泛

14、的應(yīng)用。三維有限元分析的計(jì)算模型可分為3 種情況。1/ 4 或1/ 2 零件模型:主要考慮彎曲載荷的作用,并假定零件的形狀和作用載荷相對(duì)于平面對(duì)稱。單個(gè)零件模型:用于分析零件上最危險(xiǎn)的位置,難點(diǎn)在于如何準(zhǔn)確確定剖分面處的邊界條件。零件整體模型:這是未經(jīng)簡(jiǎn)化的模型,計(jì)算精度高,但是計(jì)算規(guī)模較大,大型半軸需采用合適的計(jì)算技術(shù)如子結(jié)構(gòu)技術(shù)才能得到有效的計(jì)算結(jié)果。邊界條件上的差別則主要體現(xiàn)在對(duì)半軸約束的處理上,大多數(shù)文獻(xiàn)對(duì)半軸的約束簡(jiǎn)化成了絕對(duì)剛性支撐,比較接近實(shí)際的處理是對(duì)半軸約束用邊界元或接觸元來(lái)處理。 課題的主要研究?jī)?nèi)容及意義確定半軸應(yīng)力應(yīng)變狀況的方法有兩種: 一是利用模擬或模型試驗(yàn)以至零件的實(shí)

15、際試驗(yàn)來(lái)確定; 二是利用計(jì)算來(lái)確定。在利用計(jì)算來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí), 傳統(tǒng)的截?cái)嗪?jiǎn)支梁法和連續(xù)梁法由于作了太多簡(jiǎn)化, 因此難以保證計(jì)算精度。隨著有限元計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，用有限元法對(duì)半軸進(jìn)行強(qiáng)度分析已成為半軸設(shè)計(jì)、校核分析中常用的方法。目前，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平的提高，分析模型的建立漸漸趨向?qū)嶋H，提高了模擬計(jì)算的精度，更好地模擬工程實(shí)際情況。該課題主要通過(guò)運(yùn)用PROE繪圖軟件，繪制重型汽車半軸三維實(shí)體模型，然后運(yùn)用ANSYS分析軟件對(duì)半軸進(jìn)行強(qiáng)度分析，通過(guò)對(duì)半軸模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、半軸負(fù)載及邊界條件的設(shè)定，計(jì)算求解得出半軸應(yīng)變分布圖及應(yīng)力分布圖，找出半軸易破壞部位，尋找提高半軸強(qiáng)度的措施，為以后的半軸設(shè)

16、計(jì)和開(kāi)發(fā)打下良好的基礎(chǔ)和提供準(zhǔn)確而可靠的理論依據(jù)；同時(shí)，有限元方法的應(yīng)用為大幅度提高半軸應(yīng)力的計(jì)算精度提供了條件, 它們將是今后我們進(jìn)行各種強(qiáng)度計(jì)算的主要手段之一。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，積極思考，勇于創(chuàng)新，開(kāi)闊自己的思維方式，為將來(lái)的學(xué)習(xí)和工作打下良好的基礎(chǔ)。第二章 重型汽車半軸的三維實(shí)體建模 Pro/ENGINEER概述 Pro/ENGINEER系統(tǒng)簡(jiǎn)介Pro/ENGINEER是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（Parametric Technology Corporation）于1988年率先推出的以參數(shù)化為基礎(chǔ)、以三維造型為設(shè)計(jì)模式的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)，其最新版本

17、Pro/ENGINEER Wildfire于2003年正式發(fā)布。由于其強(qiáng)大的功能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電子、通信、機(jī)械、模具、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車、自行車、航天、家電、玩具等各個(gè)行業(yè)，成為提供工業(yè)解決方案的有力工具。隨著Pro/ENGINEER的推廣和應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)形成了十分熱烈的3D設(shè)計(jì)新局面。Pro/ENGINEER可謂是個(gè)全方位的三維產(chǎn)品開(kāi)發(fā)軟件，集合了零件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品組合、模具開(kāi)發(fā)、數(shù)控加工、鈑金件設(shè)計(jì)、鑄造設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、自動(dòng)測(cè)量、機(jī)構(gòu)仿真、應(yīng)力分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能于一體，模塊眾多。Pro/ENGINEER作為三維造型設(shè)計(jì)系統(tǒng)，是一套由設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的機(jī)械自動(dòng)化軟件，其功能強(qiáng)大，用途廣泛，是新

18、一代Pro/ENGINEER系統(tǒng)軟件。它以尺寸驅(qū)動(dòng)、特征建模、全參數(shù)設(shè)計(jì)、單一全關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫(kù)、虛擬現(xiàn)實(shí)及多數(shù)據(jù)接口等優(yōu)點(diǎn)改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念，使設(shè)計(jì)工作直觀化、高效化、精確化和系統(tǒng)化，成為目前圖形分析領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)。與傳統(tǒng)的圖形分析系統(tǒng)僅提供繪圖工具不同，Pro/ENGINEER提供了一套完整的機(jī)械產(chǎn)品解決方案，包括工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工制造、機(jī)構(gòu)分析、有限元分析和產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)管理，甚至包括了產(chǎn)品生命周期，是多項(xiàng)技術(shù)的集成產(chǎn)品。Pro/ENGINEER的主要特征有：(1)3D實(shí)體模型；(2)單一數(shù)據(jù)庫(kù)；(3)基于特征的參數(shù)化實(shí)體建模；(4)行為建模技術(shù)；(5)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)；(

19、6)強(qiáng)大的裝配功能；(7)NC加工；(8)二次開(kāi)發(fā)技術(shù)。 Pro/ENGINEER系統(tǒng)特點(diǎn)Pro/ENGINEER作為一種全參數(shù)化的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，與其他計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)相比擁有許多獨(dú)特的特點(diǎn)，充分了解這些特點(diǎn)后能夠正確理解其設(shè)計(jì)理念，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)不僅能夠滿足要求，而且具有很強(qiáng)的彈性和靈活性，下面簡(jiǎn)要介紹其中主要的5個(gè)特點(diǎn)。(1) 三維實(shí)體造型Pro/ENGINEER是一個(gè)實(shí)體建模器，允許在三維環(huán)境中工作，通過(guò)各種造型手段達(dá)到設(shè)計(jì)目的，能夠?qū)⒂脩舻脑O(shè)計(jì)思想以最逼真的模型表現(xiàn)出來(lái)，用戶能夠更直接地了解設(shè)計(jì)的真實(shí)性，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中點(diǎn)、線、面構(gòu)成幾何的不足。(2) 以特征造型為基礎(chǔ)Pro/E

20、NGINEER是一個(gè)基于特征的實(shí)體建模工具，系統(tǒng)認(rèn)為特征是組成模型的基本單元，實(shí)體模型是通過(guò)多個(gè)特征的創(chuàng)建完成設(shè)計(jì)，也就是說(shuō)實(shí)體模型是特征的疊加。(3) 參數(shù)化Pro/ENGINEER是一個(gè)全參數(shù)化的系統(tǒng)，幾何形狀和大小都由尺寸參數(shù)控制，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中使用的所有尺寸參數(shù)與物理參數(shù)都存放于單一的數(shù)據(jù)庫(kù)中，可隨時(shí)修改這些尺寸參數(shù)并可對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行分析，計(jì)算出模型的體積、面積、質(zhì)量、慣性矩等；特征之間存在著相依的關(guān)系，即所謂的“父子”關(guān)系，使得某一特征的修改，同時(shí)會(huì)牽動(dòng)其他特征的變更；可以運(yùn)用強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算方式，建立各特征之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，使得計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)地計(jì)算出模型應(yīng)有的形狀和固定位置。(4)

21、相關(guān)性Pro/ENGINEER創(chuàng)建的三維零件模型以及由此產(chǎn)生的二維工程圖、裝配部件、模具、仿真加工等，它們之間雙向關(guān)聯(lián)，采用單一的數(shù)據(jù)管理，既可以減少數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量以節(jié)約磁盤(pán)空間，又可以在任何環(huán)節(jié)對(duì)模型進(jìn)行修改，同時(shí)與模型相關(guān)的對(duì)象也會(huì)自動(dòng)修改，保證了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和準(zhǔn)確性，也避免了因反復(fù)修改而花費(fèi)的大量時(shí)間。(5) 系列化Pro/ENGINEER能夠依據(jù)創(chuàng)建的原始模型，通過(guò)家族表改變模型組成對(duì)象的數(shù)量或尺寸關(guān)系，建立系列化的模型，這也是建立國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)的重要手段之一。 Pro/ENGINEER的應(yīng)用現(xiàn)狀Pro/ENGINEER 在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛、越來(lái)越深入，雖然和Pro/ENGI

22、NEER 等二維繪圖軟件相比，Pro/ENGINEER的使用相對(duì)要難得多，但這并沒(méi)有阻止人們對(duì)它的學(xué)習(xí)、使用及開(kāi)發(fā)。這也充分說(shuō)明了Pro/ENGINEER具有人們所渴望的優(yōu)良的性能和靈活多變的開(kāi)發(fā)方法。(1) 連桿的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)連桿設(shè)計(jì)過(guò)程中采用Pro/ENGINEER做零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，用Pro/Mechnaic做有限元分析平臺(tái)，利用VC+語(yǔ)言，經(jīng)二次開(kāi)發(fā)制成。該系統(tǒng)實(shí)施變結(jié)構(gòu)、變參數(shù)設(shè)計(jì)方法，將設(shè)計(jì)、分析、繪圖等不同功能的模塊有機(jī)結(jié)合。該文中設(shè)計(jì)和分析采用同一數(shù)據(jù)庫(kù)，避免了數(shù)據(jù)交換中可能發(fā)生的丟失和錯(cuò)誤。(2) 葉輪葉片的實(shí)體造型在設(shè)計(jì)葉輪葉片時(shí)，可從現(xiàn)有的水力設(shè)計(jì)CAD軟件出發(fā)

23、，利用數(shù)據(jù)預(yù)處理程序，結(jié)合Pro/ENGINEER軟件，較好地實(shí)現(xiàn)了葉輪葉片的實(shí)體造型，縮短了在Pro/ENGINEER中重新建模的時(shí)間，且保證了加工出的葉輪更符合水泵性能要求。(3) 齒輪的造型設(shè)計(jì)漸開(kāi)線齒輪由于具有能保證特定傳動(dòng)比傳動(dòng)、受力方向不變等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、汽車、機(jī)床和自動(dòng)化生產(chǎn)線等各種通用機(jī)械中。漸開(kāi)線齒輪齒形比較復(fù)雜，一些低端的CAD軟件必須通過(guò)編寫(xiě)程序才能完成它的造型，而在Pro/ENGINEER環(huán)境下，則可以用多種建模方法來(lái)精確造型，方便快捷，還可以通過(guò)其內(nèi)部的開(kāi)發(fā)工具程序（Pro/Program），添加簡(jiǎn)單的幾句控制語(yǔ)句，人機(jī)交互地輸入設(shè)計(jì)變量值，實(shí)現(xiàn)漸開(kāi)線齒輪自

24、動(dòng)化造型。(4) 汽車風(fēng)扇模具設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)的汽車風(fēng)扇產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和加工當(dāng)中，往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)風(fēng)扇外形，通過(guò)手工做模來(lái)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)和加工，加工出來(lái)的產(chǎn)品，往往一次不能滿足要求，這就要不斷地修改產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致修模，有時(shí)整個(gè)模具都報(bào)費(fèi)，這不僅使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期加長(zhǎng)，而且開(kāi)發(fā)成本大大提高。利用Pro/ENGINEER軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)，從而大大地縮短了產(chǎn)品研發(fā)的周期、模具設(shè)計(jì)周期和加工周期，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，降低了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和模具設(shè)計(jì)成本。 Pro/ENGINEER的工作環(huán)境和系統(tǒng)設(shè)置2.2.1 硬件要求雖然Pro/ENGINEER Wildfire的軟件說(shuō)明書(shū)并沒(méi)有對(duì)計(jì)算機(jī)硬件提出明確的要

25、求，但為了保證軟件安全、正常地使用，在安裝系統(tǒng)時(shí)，最好按以下要求配置計(jì)算機(jī)硬件：CPU:1GHz以上;內(nèi)存：一般選擇256MB。如果經(jīng)常設(shè)計(jì)復(fù)雜零件、大型裝配、結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)仿真或產(chǎn)生NC加工程序，則應(yīng)選擇512MB以上的內(nèi)存;顯卡：選擇專業(yè)顯卡，也可選擇NV GF2或ATI7500以上的顯卡;硬盤(pán)：由于軟件的最小安裝空間需要900MB，全部安裝則需要2.3GB的硬盤(pán)空間，所以計(jì)算機(jī)的硬盤(pán)空間至少3.0GB;顯示器：一般選擇17寸或17寸以上的顯示器;鼠標(biāo)：最好使用光電或機(jī)械三鍵滾輪式鼠標(biāo)。 操作系統(tǒng)設(shè)置為了更方便地使用Pro/ENGINEER軟件，安裝軟件前需要對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置，主要包括

26、環(huán)境變量和虛擬內(nèi)存的設(shè)置。設(shè)置方法如下： 圖 2-1 任務(wù)欄與開(kāi)始菜單 圖 2-2 系統(tǒng)屬性(1) 鼠標(biāo)右擊任務(wù)欄，選擇 【屬性】，系統(tǒng)顯示如圖2-1所示的對(duì)話框，在【開(kāi)始菜單】中選擇【經(jīng)典開(kāi)始菜單】，點(diǎn)擊【確定】。(2) 返回桌面，右擊我的電腦圖標(biāo)，點(diǎn)擊【屬性】，得到圖2-2系統(tǒng)屬性窗口，選擇高級(jí)，點(diǎn)擊環(huán)境變量，彈出環(huán)境變量對(duì)話框。(3) 環(huán)境變量對(duì)話框中選擇【新建】，彈出“編輯用戶變量”對(duì)話框，如圖2-3所示。圖 2-3 編輯用戶變量(4) 在變量名文本框中輸入lang,變量值中輸入chs,然后點(diǎn)擊【確定】完成對(duì)環(huán)境變量的設(shè)置。 圖 2-4 性能選項(xiàng)窗口 圖 2-5 虛擬內(nèi)存窗口(5) 在

27、圖2-2所示的窗口中選擇性能框中的【設(shè)置】，在彈出的對(duì)話框中選擇【高級(jí)】，如圖2-4所示。在性能選項(xiàng)對(duì)話框中點(diǎn)擊【更改】，彈出虛擬內(nèi)存對(duì)話框，如圖2-5所示。(6) 在初始大小文本框中輸入1024（其值應(yīng)至少達(dá)到物理內(nèi)存的2倍），在最大值文本框中輸入2048（其值應(yīng)至少達(dá)到物理內(nèi)存的4倍），設(shè)置完畢后，點(diǎn)擊【確定】即可。圖 2-6 Pro/ENGINEER 工作界面 基本功能Pro/ENGINEER系統(tǒng)安裝完成后，雙擊桌面圖標(biāo)，回打開(kāi)如圖2-6所示的工作界面。工作界面中包括主菜單、導(dǎo)航器、IE瀏覽器、圖形顯示區(qū)、模型工具欄、特征工具欄、特征元素工具欄、信息提示區(qū)、命令解釋區(qū)、智能選取過(guò)濾器等。

28、(1) 主菜單主菜單位于窗口的頂端，集合了大量的Pro/ENGINEER操作命令，主要有以下功能：管理設(shè)計(jì)模型文件、編輯設(shè)計(jì)模型、控制系統(tǒng)和設(shè)計(jì)模型的顯示模式、插入各種組成單元、對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)分析、在標(biāo)準(zhǔn)模塊與其它應(yīng)用模塊之間進(jìn)行切換等等。菜單如圖2-7所示。圖 2-7 菜單欄(2) 工具欄模型工具欄位于主菜單的下方，包含了Pro/ENGINEER用于模型操作的常用快捷方式，在不同的工作模式下顯示的快捷圖標(biāo)有所不同，工具欄中的各按鈕的功能與菜單欄中對(duì)應(yīng)的命令功能相同，工具欄中的按鈕可以通過(guò)【工具】|【定制屏幕】菜單命令進(jìn)行個(gè)人定義。如圖2-8所示。圖 2-8 模型工具欄(3) 特征工具欄特

29、征工具欄位于窗口的右側(cè)，它包含了Pro/ENGINEER中用于創(chuàng)建特征的常見(jiàn)快捷方式，在不同的工作模式下顯示的快捷圖標(biāo)有所不同，特征工具欄中的按鈕功能是創(chuàng)建不同的特征。如圖2-9所示。圖 2-9 特征工具欄 圖 2-10 導(dǎo)航器 圖 2-11 瀏覽器(4) 導(dǎo)航器導(dǎo)航器一般位于界面的左側(cè)，如圖2-10所示，單擊可以收縮關(guān)閉導(dǎo)航器，也可通過(guò)點(diǎn)擊來(lái)重新打開(kāi)導(dǎo)航器，導(dǎo)航器的四個(gè)選項(xiàng)卡對(duì)應(yīng)著四項(xiàng)基本功能：模型樹(shù)選項(xiàng)卡可以以樹(shù)的形式顯示模型的各基準(zhǔn)、特征等信息；文件夾瀏覽器選項(xiàng)卡可在其右側(cè)的瀏覽器中顯示該文件夾的所有文件，也可以新建或刪除文件夾；收藏夾選項(xiàng)卡可以收藏存儲(chǔ)用戶所選定的文件夾，也可以對(duì)其進(jìn)行

30、編輯；連接選項(xiàng)卡可連接快速訪問(wèn)有關(guān)PTC解決方案的頁(yè)面和服務(wù)程序。(5) 瀏覽器我們可以通過(guò)瀏覽器可以訪問(wèn)網(wǎng)站和一些在線的目錄信息，還可以顯示特征的查詢信息等。如圖2-11所示。(6) 命令提示欄命令提示欄可以提示命令的執(zhí)行情況和下一步操作的信息。如圖2-12所示。圖 2-12 命令提示欄 三維實(shí)體建模過(guò)程(1) 雙擊圖標(biāo)打開(kāi)Pro/ENGINEER程序，在打開(kāi)的窗口（如圖2-13所示）中選擇【文件】|【新建】，會(huì)彈出“新建”對(duì)話框（如圖2-14所示），選擇“零件”，取消使用缺省模板，點(diǎn)擊【確定】。在彈出的“新文件選項(xiàng)”對(duì)話框（如圖2-15所示），選擇“mmns_part_solid”，點(diǎn)擊【

31、確定】。(2) 在打開(kāi)的窗口中，選擇拉伸按鈕，選擇【放置】|【定義】，在圖形顯示區(qū)中選擇right面，彈出圖2-16所示對(duì)話框，點(diǎn)擊【草繪】，進(jìn)入草繪狀態(tài)，根據(jù)圖紙的設(shè)計(jì)尺寸要求，在草繪界面中繪出圖2-17后點(diǎn)擊按鈕，完成【草繪】。檢查無(wú)誤后，點(diǎn)擊按鈕，得到圖2-18。圖 2-13 初始窗口 圖 2-14 “新建”對(duì)話框 圖 2-15 “新文件選項(xiàng)”對(duì)話框 圖 2-16 “草繪”對(duì)話框 圖 2-17 繪圖結(jié)果 圖 2-18 曲軸輸入端 圖 2-19 主軸頸(3) 選擇拉伸工具，點(diǎn)擊|【定義】，在圖形顯示區(qū)內(nèi)選擇相應(yīng)的平面（選擇在前面的作圖過(guò)程中得到的平面即可），進(jìn)入草繪狀態(tài)；草繪時(shí)按照?qǐng)D紙的要

32、求畫(huà)出一個(gè)圓，點(diǎn)擊按鈕，完成草繪。檢查無(wú)誤后，點(diǎn)擊按鈕，拉伸出主軸頸如圖2-19所示。(4) 選擇拉伸工具，點(diǎn)擊|【定義】，在圖形顯示區(qū)內(nèi)選擇相應(yīng)的平面（選擇在前面的作圖過(guò)程中得到的平面即可），進(jìn)入草繪狀態(tài)；草繪時(shí)按照?qǐng)D紙的要求畫(huà)出曲柄臂平面圖形，點(diǎn)擊按鈕，完成草繪。檢查無(wú)誤后，點(diǎn)擊按鈕，拉伸出曲柄臂如圖2-20所示。 圖 2-20 拉伸出曲柄臂 圖 2-21 拉伸出曲柄銷(5) 選擇拉伸工具，點(diǎn)擊|【定義】，在圖形顯示區(qū)內(nèi)選擇相應(yīng)的平面（選擇在前面的作圖過(guò)程中得到的平面即可），進(jìn)入草繪狀態(tài)；草繪時(shí)按照?qǐng)D紙的要求畫(huà)出一個(gè)圓，點(diǎn)擊按鈕，完成草繪。檢查無(wú)誤后，點(diǎn)擊按鈕，拉伸曲柄銷如圖2-21所示。

33、(6) 點(diǎn)擊基準(zhǔn)面按鈕，彈出圖2-22所示對(duì)話框，選擇需要平移的參考面，在平移選項(xiàng)中輸入要平移的位移，同時(shí)在圖形顯示區(qū)中點(diǎn)擊黃色的箭頭來(lái)選擇平移的方向，設(shè)置完畢后，點(diǎn)擊【確定】，完成基準(zhǔn)面的平移。(7) 選擇需要鏡像得部分實(shí)體，點(diǎn)擊景象按鈕，點(diǎn)擊，在圖形顯示區(qū)選擇參照平面（圖為DTM1），點(diǎn)擊按鈕，生成另一半曲柄臂和主軸頸，如圖2-23所示。 圖 2-22 “基準(zhǔn)平面”對(duì)話框 圖 2-23 鏡像曲柄臂和主軸頸 圖 2-24 輸出端的草繪圖形 圖 2-25 輸出端模型圖(8) 選擇旋轉(zhuǎn)工具按鈕，依次點(diǎn)擊放置|定義，在圖形顯示區(qū)中選擇right面，彈出圖示對(duì)話框，點(diǎn)擊草繪，進(jìn)入草繪狀態(tài)，根據(jù)圖紙的

34、設(shè)計(jì)尺寸要求，在草繪界面中繪出圖2-24所示圖形后點(diǎn)擊按鈕，完成草繪。檢查無(wú)誤后，點(diǎn)擊按鈕，得到圖2-25所示模型。(9) 選擇旋轉(zhuǎn)工具按鈕，依次點(diǎn)擊【放置】|定義，在圖形顯示區(qū)中選擇right面，彈出圖示對(duì)話框，點(diǎn)擊【草繪】，進(jìn)入草繪狀態(tài)，根據(jù)圖紙的設(shè)計(jì)尺寸要求，在草繪界面中繪出圖后點(diǎn)擊按鈕，完成草繪。檢查無(wú)誤后，點(diǎn)擊按鈕，得到圖2-26所示模型。(10) 選擇旋轉(zhuǎn)工具按鈕，依次點(diǎn)擊【放置】|定義，在圖形顯示區(qū)中選擇right面，彈出圖示對(duì)話框，點(diǎn)擊【草繪】，進(jìn)入草繪狀態(tài)，根據(jù)圖紙的設(shè)計(jì)尺寸要求，在草繪界面中繪出圖后點(diǎn)擊按鈕，完成草繪。檢查無(wú)誤后，點(diǎn)擊按鈕，生成減重孔和油孔，如圖2-27所示

35、。 圖 2-26 曲柄臂處理 圖 2-27 生成油孔和減重孔(11) 點(diǎn)擊基準(zhǔn)面按鈕，彈出圖2-22所示對(duì)話框，選擇需要平移的參考面，在平移選項(xiàng)中輸入要平移的位移，同時(shí)在圖形顯示區(qū)中點(diǎn)擊黃色的箭頭來(lái)選擇平移的方向，設(shè)置完畢后，點(diǎn)擊【確定】，完成基準(zhǔn)面的平移。生成基準(zhǔn)面后，再在該基準(zhǔn)面上拉伸出鍵槽如圖2-28所示。圖 2-28 生成鍵槽(12) 選擇需要放置螺紋孔的表面，點(diǎn)擊按鈕，在彈出的選項(xiàng)卡中設(shè)置它的位置類型和對(duì)應(yīng)位移，如圖2-29所示。設(shè)置完畢后點(diǎn)擊按鈕即可，得到圖2-30所示結(jié)果。在通過(guò)鏡像處理得到其他的螺紋孔。 圖 2-29 位移設(shè)置圖 圖 2-30 生成螺紋孔(13) 選擇倒圓角工具

36、按鈕，在圖形上選擇需要倒圓角的區(qū)域，在該區(qū)域會(huì)出現(xiàn)一條黃色的過(guò)渡效果線，在圖2-31所示的區(qū)域輸入倒圓角的半徑，并選取倒圓角的方向，點(diǎn)擊完成倒圓角。用同樣的方法完成所有的倒圓角，如圖2-32所示。圖 2-31 設(shè)置倒圓角半徑圖 圖 2-32 生成倒圓角(14) 在主菜單欄中依次選擇【插入】|【修飾】|【螺紋】，彈出“修飾螺紋”對(duì)話框，如圖2-33所示。按照命令提示區(qū)的提示依次選擇螺紋曲面、起始曲面、方向、深度和主直徑等元素，設(shè)置完畢后點(diǎn)擊確定，完成螺紋的修飾，如圖2-34所示。 圖 2-33 “修飾螺紋”對(duì)話框 圖 2-34 完成整個(gè)模型第三章 曲軸強(qiáng)度有限元分析 ANSYS概述 ANSYS簡(jiǎn)

37、介ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS公司開(kāi)發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。ANSYS作為一種工程分析軟件，主要是在機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載所出現(xiàn)的反應(yīng)，例如應(yīng)力、位移、溫度等，根據(jù)該反應(yīng)可知道機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載后的狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。一般機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，受的負(fù)載也相當(dāng)多，理論分析往往無(wú)法進(jìn)行。想要解答，必須先簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬方法分析。由于計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，相應(yīng)的軟件也應(yīng)運(yùn)而生，ANSYS軟件在工程上

38、應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在機(jī)械、電機(jī)、土木、電子及航空等領(lǐng)域的使用，都能達(dá)到某種程度的可信度，頗獲各界好評(píng)。使用該軟件，能夠降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊包括機(jī)構(gòu)分析（可進(jìn)行線形分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏性分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯

39、示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 ANSYS軟件主要功能和技術(shù)特點(diǎn)ANSYS軟件的主要功能有靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、熱力學(xué)分析、流體分析、藕合場(chǎng)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。當(dāng)慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)影響不顯著時(shí)，可用靜力學(xué)分析求解穩(wěn)態(tài)外載荷引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。也可以考慮結(jié)構(gòu)的非線性特性，如大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力剛化、接觸、塑性、超彈及蠕變等。動(dòng)力學(xué)分析包括模態(tài)分析、譜分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，主要用來(lái)分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。熱分析包括穩(wěn)態(tài)熱分析、瞬態(tài)熱分析、相變分析和熱-結(jié)構(gòu)耦合分析。可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。計(jì)

40、算系統(tǒng)或部件由于熱載荷引起的溫度分布及熱梯度、熱流率、熱流密度等參數(shù)。流體力學(xué)分析包括計(jì)算流體力學(xué)分析(層流、湍流和熱流體)和聲學(xué)分析。對(duì)流體單元進(jìn)行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)分析。ANSYS軟件作為一個(gè)功能強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件，具有多物理場(chǎng)耦合的功能，允許在同一模型上進(jìn)行各種耦合計(jì)算，如：熱-應(yīng)力、磁-熱、磁-結(jié)構(gòu)、流體-熱、流體-結(jié)構(gòu)、熱-電、電路耦合電磁場(chǎng)、電磁及壓電耦合分析等。通過(guò)定義設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù)等優(yōu)化變量，可利用ANSYS的優(yōu)化工具和參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL對(duì)模型進(jìn)行尺寸、形狀、支撐位置、制造費(fèi)用、固有頻率、材料等優(yōu)化設(shè)計(jì)。ANSYS程序提供了兩種優(yōu)化的方法：零階方法和一階方法。

41、對(duì)于這兩種方法，ANSYS程序提供了一系列的分析-評(píng)估-修正的循環(huán)過(guò)程。 同時(shí)，ANSYS作為一種應(yīng)用型工程軟件，有一些自己的技術(shù)特點(diǎn)：(1) 惟一能實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)及多場(chǎng)耦合功能；(2) 唯一實(shí)現(xiàn)前后處理、分析求解及多場(chǎng)分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的大型FEA軟件；(3) 獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)化功能，惟一具有流優(yōu)化功能的CFD軟件；(4) 融前后處理與分析求解于一身；強(qiáng)大的非線性分析功能；快速求解器；從微機(jī)、工作站、大型機(jī)直至巨型機(jī)所有硬件平臺(tái)上全部數(shù)據(jù)文件兼容；(5) 智能劃分網(wǎng)格；多層次多框架的產(chǎn)品系列；從微機(jī)、工作站、大型機(jī)直至巨型機(jī)所有硬件平臺(tái)上統(tǒng)一用戶界面；良好的用戶開(kāi)發(fā)環(huán)境。3.1.3 ANSYS的系統(tǒng)要求奔

42、騰處理器。安裝Windouws 2000或Windouws XP操作系統(tǒng)；至少256MB內(nèi)存；500MB自由硬盤(pán)空間；微軟鼠標(biāo)或與系統(tǒng)兼容的鼠標(biāo)；2倍速光驅(qū)；內(nèi)存交換空間大約為內(nèi)存的兩倍；TCP/IP協(xié)議。 ANSYS的基本分析過(guò)程一般而言，對(duì)于ANSYS的基本分析過(guò)程可以分為三步，即前處理（Processor）、施加載荷和求解（Solution）以及后處理（Postprocessor）。具體如下：(1) 前處理1）建立或讀入有限元模型2）定義材料屬性。3）劃分網(wǎng)格。(2) 施加載荷和求解1）施加負(fù)荷及設(shè)定約束條件。2）進(jìn)行求解。(3) 后處理 1）查看分析結(jié)果并檢查結(jié)果的正確性。 2）對(duì)計(jì)算

43、結(jié)果進(jìn)行各種圖形化顯示。 4）進(jìn)行動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析和與時(shí)間相關(guān)的時(shí)域處理。 ANSYS的發(fā)展和應(yīng)用隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們正在不斷建造更為快速的交通工具、更大規(guī)模的建筑物、更大跨度的橋梁、更大功率的發(fā)電機(jī)組和更為精密的機(jī)械設(shè)備。這一切都要求工程師在設(shè)計(jì)階段就能精確地預(yù)測(cè)出產(chǎn)品和工程的技術(shù)性能，需要對(duì)結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力強(qiáng)度以及溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、電磁場(chǎng)和滲流等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。例如分析計(jì)算高層建筑和大跨度橋梁在地震時(shí)所受到的影響，看看是否會(huì)發(fā)生破壞性事故；分析計(jì)算核反應(yīng)堆的溫度場(chǎng)，確定傳熱和冷卻系統(tǒng)是否合理；分析渦輪機(jī)葉片內(nèi)的流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)，以提高其運(yùn)轉(zhuǎn)效率。這些都可歸結(jié)為求解物理問(wèn)題的控制偏微分方程

44、式往往是不可能的。近年來(lái)在計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法支持下發(fā)展起來(lái)的有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）方法則為解決這些復(fù)雜的工程分析計(jì)算問(wèn)題提供了有效的途徑。ANSYS軟件作為一種融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元軟件，廣泛用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。3.2 ANSYS菜單、窗口介紹(1) 應(yīng)用命令菜單下拉命令菜單如圖3-1所示，其中包含各種應(yīng)用命令，例如File(文件)、Select（選擇）、List（列表）、 Plot（畫(huà)圖）、Plot

45、Ctrls（圖形控制）、Workplane（工作平面）、Parameters（參數(shù)控制）、Macro（宏）、Menuctrls（菜單控制）和Help（幫助）。圖 3- SEQ 圖表 * ARABIC 1 應(yīng)用命令菜單(2) 命令行窗口輸入窗口是鍵入命令的地方，如圖3-2所示。圖 3- SEQ 圖表 * ARABIC 2 命令行菜單(3) 主菜單主菜單中包括各種功能命令，包括置前處理模塊中使用的單元、截面、材料、結(jié)合類型、網(wǎng)格劃分等，求解模塊中的載荷、約束、求解參數(shù)、求解等、還有后置處理模塊中的列表顯示結(jié)果、圖形顯示結(jié)果等。主菜單如圖3-3所示。圖 3-3 主菜單(4) 工具欄工具條中放置最常用

46、的功能，用戶單擊應(yīng)用菜單MenuCtrls/Edit Toolsbar可以自己定義工具條按鈕的功能。工具條如圖3-4所示。圖 3-4 工具欄(5) 圖形窗口圖形窗口顯示當(dāng)前處理的數(shù)據(jù)，包括前處理中的節(jié)點(diǎn)、單元等和后處理中的應(yīng)力、應(yīng)變分布等，如圖3-5所示。圖 3-5 圖形輸出窗口(6) 視圖控制窗口視圖控制窗口位于圖形窗口的右側(cè)，如圖3-6所示。單擊此處的按鈕可以控制圖形窗口的視圖角度，比例等。圖 3-6 視圖控制窗口(7) 輸出窗口一切計(jì)算得到的結(jié)果都會(huì)在輸出窗口顯示，如圖3-7所示?？梢詫⑤敵龃翱谥械臄?shù)據(jù)拷貝到數(shù)據(jù)處理軟件中作進(jìn)一步處理。圖 3-7 輸出窗口 基于ANSYS的重型汽車半軸強(qiáng)

47、度分析 半軸的導(dǎo)入首先，安裝Ansys 時(shí)，必須安裝了ANSYS Connection For Pro/ENGINEER模塊（代號(hào)82）。在“開(kāi)始_程序_ Ansys _ANS_ADMIN Utility”中，選擇configuration options，選擇configure connection for Pro/E，輸入模塊類型，圖形類型、工作空間大小等，再輸入Pro/E的安裝路徑，完成“連接”安裝，此時(shí)將在Pro/E的相關(guān)文件夾中產(chǎn)生一個(gè) protk.dat 文件。運(yùn)行Pro/E。打開(kāi)一個(gè)已建好的模型 （可以不必輸入材料特性），此時(shí)在Pro/E的菜單中（屏幕右邊）最后一行會(huì)出現(xiàn) Ans

48、ys GEOM，單擊它，直到自動(dòng)調(diào)用并啟動(dòng)了 Ansys ，此時(shí)再選取 File_import_Pro /E，在文件名欄中輸入正確的文件名，點(diǎn)OK即可完成導(dǎo)入。導(dǎo)入的圖形如圖3.8所示。圖 3-8 導(dǎo)入195柴油機(jī)曲軸 計(jì)算工況與計(jì)算載荷(1) 計(jì)算工況曲軸工作時(shí)受力復(fù)雜, 除去連桿壓力外, 還要受到輸出端的助力距作用,因此, 曲軸的變形屬于彎扭組合變形。在曲軸實(shí)際工況下, 選取其極限工況作為本次分析的計(jì)算工況。最大受壓工況在該工況下, 氣缸內(nèi)氣體處于點(diǎn)火爆炸時(shí)刻, 作用于活塞上的燃?xì)鈮毫? 處于極大值狀態(tài)(實(shí)際上的極值態(tài)為曲柄370轉(zhuǎn)角時(shí)刻, 為夸大分析載荷, 選取360轉(zhuǎn)角作點(diǎn)火時(shí)刻計(jì)算)

49、 , 并且在該曲段上的扭矩也取得極值。最大受拉工況在該工況下, 氣體的燃?xì)鈮毫榱? 連桿傳來(lái)的載荷僅為慣性力, 而主軸頸的扭矩恒定。因而, 該情況實(shí)際完全包括在最大受壓工況內(nèi)(復(fù)合應(yīng)力計(jì)算公式相同) , 故本計(jì)算不單獨(dú)進(jìn)行。(2) 計(jì)算載荷曲軸的零件簡(jiǎn)圖如圖3-9所示。曲軸軸頸受力如圖3-10所示。 圖 3-9 曲柄零件簡(jiǎn)圖 圖 3-10 曲軸軸頸受力 在最大受壓工況下, 氣體的爆炸壓力為: P = M Pa; 作用于活塞頂面的燃?xì)廨d荷為: Pg= 60319 N; 活塞及連桿的移動(dòng)慣性力為: Py= 9714. 6 N; 連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性力為: Pr = 6336 N; 通過(guò)連桿按圖的關(guān)系傳

50、遞到連桿軸頸B 上的載荷為: S =42010. 2 N。該載荷按余弦規(guī)律分布在曲柄銷圓上, 如圖3-11所示。 圖 3-11 周向載荷分布 圖 3-12 軸向載荷分布該載荷按二次曲線關(guān)系分布在沿軸向如方向上, 如圖3-12所示。為便于分析計(jì)算, 近似以均布載荷考慮。其總力的分布力幅值之間有如下關(guān)系: (3-1)當(dāng)載荷按180考慮時(shí), K = 1, 求得其最大載荷分布幅值為:= 230.6MPa。按式: (3-2) (3-3) (3-4) (3-5)分別計(jì)算各節(jié)點(diǎn)載荷, 再將中介節(jié)點(diǎn)的載荷按下式迭加: (3-6) (3-7)得到節(jié)點(diǎn)載荷, 該載荷作用于連桿軸頸上半部分。主軸頸上的2P y 將均

51、勻地分布在主軸的中剖面各節(jié)點(diǎn)上, 最終構(gòu)成計(jì)算載荷。3.3.3 網(wǎng)格劃分曲軸在工作時(shí)承受缸內(nèi)的氣體壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力的作用，根據(jù)已給定的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)計(jì)算，求得此發(fā)動(dòng)機(jī)連桿軸頸載荷的最大值及隨后曲軸再轉(zhuǎn)過(guò)120、240、360、480、600 時(shí)連桿軸頸載荷的數(shù)值，見(jiàn)表3-1。表 3- SEQ 表格 * ARABIC 1 發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿軸頸載荷曲軸轉(zhuǎn)角(度)15135255375495615軸頸載荷代號(hào)PaPbPcPdPePfN99129494521706613874在有限元分析中，單元的選擇及網(wǎng)格密度的疏密對(duì)曲軸的應(yīng)力大小均有一定的影響。為便于計(jì)算，僅對(duì)單拐曲軸不同的單元

52、類型和網(wǎng)格密度進(jìn)行分析比較，以便在整體曲軸有限元分析中選擇合適的單元類型及網(wǎng)格密度。(1) 單元選擇在ANSYS 程序的結(jié)構(gòu)分析中，對(duì)實(shí)體進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分提供了solid45、solid95 和solid92 三種單元，solid45 單元為8 節(jié)點(diǎn)的六面體單元，solid95 單元為帶有中節(jié)點(diǎn)的20 節(jié)點(diǎn)六面體單元（二次單元），它較solid45 單元具有更好的邊界擬合性，但二者只適用于對(duì)規(guī)則的幾何體進(jìn)行映射或網(wǎng)格劃分，在自由網(wǎng)格劃分中退化為四面體單元。而solid92 單元為10 節(jié)點(diǎn)的四面體單元(二次單元)，適合于自由分網(wǎng)，并且四面體單元對(duì)不規(guī)則體的幾何形狀有良好的擬合性。為建立符合實(shí)

53、際的曲軸模型，在連桿軸頸和主軸頸處用solid95 四面體單元進(jìn)行映射分網(wǎng)，而在曲柄處用solid95 四面體單元進(jìn)行自由分網(wǎng)后，轉(zhuǎn)化為非退化的solid92 四面體單元，二者連接處形成金字塔過(guò)渡。由于曲軸形狀復(fù)雜，如采用solid45 單元或solid95 單元，則需手工生成節(jié)點(diǎn)、單元，前處理工作較為繁瑣。可采用solid92 單元進(jìn)行自由分網(wǎng)，或采用混合分網(wǎng)，這時(shí)分網(wǎng)工作主要由程序進(jìn)行，只要對(duì)網(wǎng)格密度進(jìn)行控制即可。表3-2為用solid95、solid92 單元進(jìn)行自由分網(wǎng)、混合分網(wǎng)時(shí)，應(yīng)力結(jié)果比較(對(duì)過(guò)渡圓角處進(jìn)行局部細(xì)化)。表 3- SEQ 表格 * ARABIC 2 不同單元類型分網(wǎng)

54、比較單元類型Solid95(1cm)Solid95(1.5cm)Solid92(1cm)Solid92(1.5cm)混合分網(wǎng)(1cm)單元數(shù)節(jié)點(diǎn)數(shù)最大應(yīng)力值/MPa33582 207087737 4986248 22635238 2322955455 375601258420158239(2) 網(wǎng)格劃分在理論上，網(wǎng)格越密計(jì)算精度越高，但相應(yīng)的計(jì)算時(shí)間及計(jì)算費(fèi)用就會(huì)大大增加，鑒于此種情況，為了控制有限元網(wǎng)格的疏密程度及有利于網(wǎng)格的自動(dòng)剖分和控制整個(gè)有限元模型的規(guī)模，可對(duì)實(shí)體各部分進(jìn)行分區(qū)。由于曲軸外表面形狀復(fù)雜，特別是過(guò)渡圓角處劃分的單元外表面呈鞍形面，又是應(yīng)力集中區(qū)，故應(yīng)將網(wǎng)格加密，單元尺寸取

55、小，以求準(zhǔn)確地描述邊界形狀，使其盡可能地接近實(shí)際情況。所以對(duì)不同結(jié)構(gòu)區(qū)域設(shè)定了不同的單元長(zhǎng)度，由程序自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格剖分。另外，程序還提供了Smartsize 網(wǎng)格劃分及自適應(yīng)網(wǎng)格劃分功能。表3-3為對(duì)solid92 單元進(jìn)行局部加密和不加密分網(wǎng)及用Smartsize 進(jìn)行分網(wǎng)的比較。表 3- SEQ 表格 * ARABIC 3 疏密網(wǎng)格比較單元類型solid92(不局部加密)solid92(局部加密)smartsize分網(wǎng)密度單元數(shù)節(jié)點(diǎn)數(shù)最大應(yīng)力值33759 18405 9892 347141209 27478 11419 574265612 35238 23229 1105883015 554

56、55 37560 185936663483294由表3-3可以看出，對(duì)過(guò)渡圓角處不進(jìn)行局部加密的網(wǎng)格，在很小的總體網(wǎng)格密度下仍達(dá)不到精確解，還需繼續(xù)細(xì)分，而對(duì)過(guò)渡圓角處進(jìn)行局部加密的混合分網(wǎng)后，能夠較快的逼近精確解。在不重要部位只需劃分到11.5 厘米即可。由于曲軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用有限元軟件建模時(shí)要進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。為了減少應(yīng)力集中，曲軸上不同截面的結(jié)合處都有半徑不一的倒角。如果在建模時(shí)考慮這些倒角，則會(huì)使有限元的網(wǎng)格非常密集，這就大大地增加了模型的單元數(shù)量，花費(fèi)大量的求解時(shí)間，而且生成的網(wǎng)格形狀也不理想，降低了求解精度，故在整體曲軸建模時(shí)，僅考慮主軸頸、曲軸軸頸與曲拐連接處的過(guò)渡圓角。本文選用A

57、NSYS 有限元軟件中的8節(jié)點(diǎn)四面體單元Solid45。在建模時(shí)，首先采用較疏的網(wǎng)格實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后將連桿軸頸和曲軸主軸頸的圓角處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)劃。剖分后形成的曲軸有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖3-13。圖3-13中的曲軸模型共有44978個(gè)節(jié)點(diǎn)，302826個(gè)單元。圖 3.13 網(wǎng)格劃分 載荷的分析與處理曲軸本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，同時(shí)受到的載荷類型也比較多，如隨轉(zhuǎn)速不斷變化的氣缸氣體壓力引起的作用力；各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的慣性力；軸系振動(dòng)引起的應(yīng)力；加工制造和裝配誤差引起的軸系附加應(yīng)力等。根據(jù)有限元分析軟件的特點(diǎn)，在曲軸靜力分析中主要考慮氣體力、慣性力等作用力，對(duì)曲軸振動(dòng)應(yīng)力、加工制造和裝配誤差引起的軸系附加應(yīng)力

58、和軸承的摩擦力等則不予考慮。首先進(jìn)行氣缸內(nèi)工作過(guò)程的模擬計(jì)算，得出一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的缸內(nèi)氣體壓力的變化曲線，然后進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算。按照力學(xué)等效原則，將動(dòng)力計(jì)算得到的連桿作用力（曲柄銷上的作用力）按照各缸發(fā)火順序和兩排氣缸之間發(fā)火間隔角所決定的相位分別施加到各個(gè)曲柄銷上。施加載荷時(shí)，將曲柄銷上受到的載荷等效施加在連桿桿身截面上，通過(guò)連桿與曲柄銷相互的接觸關(guān)系來(lái)傳遞載荷；同樣，機(jī)體軸承座與主軸頸之間的支承反力由相對(duì)應(yīng)的相互接觸關(guān)系來(lái)確定。曲軸的回轉(zhuǎn)慣性力利用軟件中施加回轉(zhuǎn)體體載荷的方法處理，即在曲軸施加回轉(zhuǎn)角速度后，所有體單元得到等效節(jié)點(diǎn)體積力。(1) 連桿大端離心慣性力/N E3(2) 平衡塊(兩塊

59、) 離心慣性力/N 2E3(3) 曲柄銷離心慣性力/N(4) 曲柄臂離心慣性力/N 22.89E3 (5) 傳到曲柄銷的燃燒室內(nèi)氣體作用力和活塞連桿組往復(fù)慣性力的合力/N 曲軸主軸頸所受的軸承支承反力、連桿和曲柄銷之間的相互作用力由預(yù)先定義的間隙接觸配合來(lái)模擬。機(jī)體的底面和相鄰兩側(cè)平面以及曲軸的輸出端軸頸端面定義為全約束。對(duì)連桿沿曲軸軸向的平動(dòng)和桿身的轉(zhuǎn)動(dòng)也進(jìn)行了約束。(1) 約束曲柄銷中間截面所有節(jié)點(diǎn)Y方向平移自由度；(2) 給定模型左右兩側(cè)主軸頸中間截面中心點(diǎn)的X方向和Z方向位移；(3) 重力常數(shù)/s,材料為QT-500-7,僅考慮彈性范圍,材料參數(shù)為:(a)密度=7.2E3kg/m；(b

60、)彈性模量E =E11N/m ；(c)泊松比；(d)曲軸轉(zhuǎn)速= 2000r/min ,旋轉(zhuǎn)軸為Y軸。按照上述分析過(guò)程，進(jìn)行載荷施加，得到圖3.14所示輸出結(jié)果。圖 3.14 載荷施加 三維有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)所建立的模型進(jìn)行對(duì)應(yīng)工況的有限元計(jì)算。確定出曲軸上對(duì)應(yīng)于該工況組合的節(jié)點(diǎn)號(hào)及其在曲軸上的對(duì)應(yīng)位置，確定進(jìn)行精細(xì)計(jì)算危險(xiǎn)工況的曲軸轉(zhuǎn)角。然后根據(jù)粗網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果，對(duì)曲軸上局部應(yīng)力比較大的部位再次將網(wǎng)格劃分得更細(xì)一些，同時(shí)將機(jī)體、連桿相應(yīng)的網(wǎng)格作出調(diào)整，進(jìn)行最后精細(xì)分析，計(jì)算出最大應(yīng)力和最小應(yīng)力。從細(xì)網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果可以看出，最大主應(yīng)力的應(yīng)力幅的分布情況與粗網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果一致，出現(xiàn)在曲柄銷與相鄰曲臂