CN111563337B - 轴类零件强度有限元分析方法 - Google Patents
轴类零件强度有限元分析方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111563337B CN111563337B CN202010262751.6A CN202010262751A CN111563337B CN 111563337 B CN111563337 B CN 111563337B CN 202010262751 A CN202010262751 A CN 202010262751A CN 111563337 B CN111563337 B CN 111563337B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- shaft
- finite element
- mathematical model
- analysis method
- element analysis
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 claims abstract description 25
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 13
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 4
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 abstract description 5
- 238000004088 simulation Methods 0.000 abstract description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000746 Structural steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000009347 mechanical transmission Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
- G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
- G06T17/20—Finite element generation, e.g. wire-frame surface description, tesselation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Computer Graphics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
Abstract
本发明属于强度分析和仿真技术领域，具体涉及轴类零件强度有限元分析方法。所述分析方法利用三维建模软件建立轴类零件数学模型，存成或导出分析软件可识别的文件格式；对模型进行简化，取消不必要的几何特征；进入有限元分析软件，设置解算类型；将零件数学模型导入到有限元分析软件；选择四面体或六面体单元对数学模型进行有限元网格划分；给数学模型或单元添加材料并输入材料参数；在数学模型上、有限元上或节点上施加边界条件；设置解算输出项；解算并显示解算结果。有效的避免了因轴承、键槽、花键和齿轮处约束方式及扭矩、弯矩施加方式和位置的不正确而造成的分析结果与实际不符的现象。采用本发明提出的分析方法得到的分析结果更为准确。
Description
技术领域
本发明属于强度分析和仿真技术领域，具体涉及轴类零件强度有限元分析方法。
背景技术
轴类零件包括光轴、花键轴和齿轮轴。是机械传动设备中最关键的零件之一，按结构设计标准，在轴类零件结构设计过程中必须进行强度有限元分析。目前存在的问题是强度有限元分析时边界条件施加方式不清晰、分析步骤不规范,包括轴承、花键和齿轮处约束方式，扭矩、弯矩施加位置，因而造成强度分析结果不准确，分析结果与实际的强度值和分布不相符。
发明内容
本发明的目的在于给出规范的轴类零件强度有限元分析方法，边界条件的正确施加，将正确的分析结果应用到轴类零件的结构设计中去。
本发明的技术方案为：轴类零件强度有限元分析方法包括以下步骤：
(1)利用三维建模软件建立轴类零件数学模型，存成或导出分析软件可识别的文件格式。
(2)对模型进行简化，取消不必要的几何特征。
(3)进入有限元分析软件，设置解算类型。
(4)将零件数学模型导入到有限元分析软件。
(5)选择四面体或六面体单元对数学模型进行有限元网格划分。
(6)给数学模型或单元添加材料并输入材料参数。
(7)在数学模型上、有限元上或节点上施加边界条件。
(8)设置解算输出项。
(9)解算并显示解算结果。
发明效果本发明给出了一种规范的轴类零件强度有限元分析方法，通过分析并给出了轴承、键槽、花键和齿轮处正确的约束方式及扭矩、弯矩的正确施加方式和位置，所述的加载方式和位置与产品在实际工作中的受力点和约束点相同，因此可以正确反应出产品在工作过程中的各种情况，使分析计算结果贴近实际情况。本技术方案已应用于大量的轴类零件实际分析中，并通过试验得到了充分验证，有效的避免了因轴承、键槽、花键和齿轮处约束方式及扭矩、弯矩施加方式和位置的不正确而造成的分析结果与实际不符的现象。采用本发明提出的分析方法得到的分析结果更为准确。
具体实施方式
本发明的目的在于给出规范的轴类零件强度有限元分析方法，边界条件的正确施加，将正确的分析结果应用到轴类零件的结构设计中去。本发明所提出的轴类零件强度有限元分析实施步骤如下：
(1)利用三维建模软件建立轴类零件数学模型，建模软件包括UG、CATIA，并存成或导出分析软件可识别的文件格式。文件扩展名包括：.prt，.CATPart，.igs，.x_t。
(2)对模型进行简化，取消不必要的几何特征。包括：销孔、螺栓孔、小倒圆、小倒角。
(3)进入有限元分析软件，设置解算类型为静力学结构分析。分析软件包括：ANSYSWorkbench，NX NASTRAN。
(4)将零件数学模型导入有限元分析软件。
(5)选择十节点四面体或二十节点六面体单元对零件数学模型进行体网格划分。
(6)给数学模式或单元添加材料,并输入材料参数。材料包括：结构钢，
铝合金；材料参数包括：弹性模量，泊松比，密度。
(7)在数学模型上或有限元上施加边界条件。
约束的施加按以下原则：
a)轴通过推力轴承和球轴承安装的情况下,在位于推力轴承和球轴承安装处施加径向0位移约束，轴的档肩处轴向0位移约束；
b)轴通过滚子轴承安装的情况下,在滚子轴承安装处施加径向0位移约束；同时,在以上a)和b)的情况下,在功率输出端施加周向0位移约束，包括：键槽处，花键处，直齿轮啮合齿的节圆线，斜齿轮或弧齿轮啮合齿的接触点处；
载荷的施加按以下原则，载荷施加在轴的输入端，并且：
a)轴通过键槽形式传递扭矩的情况下，将额定扭矩转化为轴键槽处的周向力并施加在轴键槽处；
b)轴通过花键形式传递扭矩的情况下，直接在花键处施加额定扭矩；
c)轴通过轴上安装的直齿轮传递功率的情况下，将额定扭矩转化为啮合轮齿的节圆线上的周向力并施加在合轮齿的节圆线上；
d)轴通过轴上安装的斜齿轮或弧齿轮传递功率的情况下，将额定扭矩转化斜齿轮或弧齿轮啮合齿的接触点处的径向、轴向和周向三个方向的力并施加在斜齿轮或弧齿轮啮合齿的接触点处；
直接输入弯矩和转速。
(8)在软件中设置解算输出项，包括：应力、位移、应变。
(9)解算并显示解算结果，包括：应力、位移、应变。
实施例1
某齿轮轴，材料为18CrNi4A；斜齿轮齿面所受啮合力为：径向力1317.9N、切向力3505.5N、轴向力906.6N；输出端花键施加扭矩733237N·mm。其强度有限元分析实施步骤如下：
(1)利用三维建模软件建立轴类零件数学模型，建模软件为UG软件，并存成UG析软件可识别的文件格式，文件名为XX.prt。
(2)对XX.prt文件进行简化，取消销孔、螺栓孔、小倒圆、小倒角。此模型不需要进行简化处理。
(3)进入有限元分析软件ANSYS Workbench，设置解算类型为静力学结构分析。
(4)将零件数学模型XX.prt导入有限元分析软件ANSYS Workbench中。
(5)选择十节点四面体单元对零件数学模型进行体网格划分。
(6)给数学模式或单元添加材料XX,并输入材料参数：弹性模量203.4GPa，泊松比0.28，密度7.88g/cm3；屈服极限σp0.2＝980MPa；断裂极限σb＝1325MPa。
(7)在数学模型上或有限元上施加边界条件。
载荷条件：斜齿轮齿面施加的径向力1317.9N、切向力3505.5N、轴向力906.6N；输出端花键施加扭矩733237N·mm。
约束条件：轴承配合面径向约束，轴承挡肩处轴向约束，输入端花键切向约束。
(8)在软件中设置解算输出项，包括：应力、位移、应变等。
(9)解算并显示解算结果，包括：应力、位移。
计算结果为：齿轮轴的最大应力为392.0MPa，齿轮轴的最大变形为0.224mm。计算结束。
Claims (5)
1.轴类零件强度有限元分析方法，其特征在于：所述分析方法包括以下步骤：
步骤s1，利用三维建模软件建立轴类零件数学模型，存成或导出分析软件可识别的文件格式；
步骤s2,对模型进行简化，取消不必要的几何特征；不必要的几何特征至少包括：销孔、螺栓孔、小倒圆、小倒角；
步骤s3，进入有限元分析软件，设置解算类型；
步骤s4，将零件数学模型导入到有限元分析软件；
步骤s5，选择四面体或六面体单元对数学模型进行有限元网格划分；
步骤s6，给数学模型或单元添加材料并输入材料参数；
步骤s7，在数学模型上、有限元上或节点上施加边界条件；
步骤s8，设置解算输出项；
步骤s9，解算并显示解算结果；
步骤s7中，所述边界条件至少包括约束条件和载荷条件；
所述约束条件在施加时，按以下原则：
a)轴通过推力轴承和球轴承安装的情况下,在位于推力轴承和球轴承安装处施加径向0位移约束，轴的档肩处轴向0位移约束；
b) 轴通过滚子轴承安装的情况下,在滚子轴承安装处施加径向0位移约束；
同时,在以上a)和b)的情况下,在功率输出端施加周向0位移约束，包括：键槽处，花键处，直齿轮啮合齿的节圆线，斜齿轮或弧齿轮啮合齿的接触点处；
载荷的施加按以下原则，载荷施加在轴的输入端，并且：
a)轴通过键槽形式传递扭矩的情况下，将额定扭矩转化为轴键槽处的周向力并施加在轴键槽处；
b) 轴通过花键形式传递扭矩的情况下，直接在花键处施加额定扭矩；
c) 轴通过轴上安装的直齿轮传递功率的情况下，将额定扭矩转化为啮合轮齿的节圆线上的周向力并施加在合轮齿的节圆线上；
d) 轴通过轴上安装的斜齿轮或弧齿轮传递功率的情况下，将额定扭矩转化斜齿轮或弧齿轮啮合齿的接触点处的径向、轴向和周向三个方向的力并施加在斜齿轮或弧齿轮啮合齿的接触点处。
2.根据权利要求1所述的轴类零件强度有限元分析方法，其特征在于：步骤s1中文件扩展名至少包括：.prt，.CATPart，.igs，.x_t。
3.根据权利要求1所述的轴类零件强度有限元分析方法，其特征在于：步骤s3或s4中分析软件至少包括：ANSYS Workbench，NX NASTRAN。
4.根据权利要求1所述的轴类零件强度有限元分析方法，其特征在于：步骤s6中材料参数包括：弹性模量，泊松比，密度。
5.根据权利要求1所述的轴类零件强度有限元分析方法，其特征在于：步骤s9中 解算结果至少包括：应力、位移、应变结算。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010262751.6A CN111563337B (zh) | 2020-04-03 | 2020-04-03 | 轴类零件强度有限元分析方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010262751.6A CN111563337B (zh) | 2020-04-03 | 2020-04-03 | 轴类零件强度有限元分析方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111563337A CN111563337A (zh) | 2020-08-21 |
| CN111563337B true CN111563337B (zh) | 2022-11-08 |
Family
ID=72071428
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010262751.6A Active CN111563337B (zh) | 2020-04-03 | 2020-04-03 | 轴类零件强度有限元分析方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111563337B (zh) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112149247A (zh) * | 2020-09-14 | 2020-12-29 | 珠海格力智能装备有限公司 | 全电动注塑机锁模机构的静力学分析方法及全电动注塑机 |
| CN112434453B (zh) * | 2020-11-11 | 2024-03-26 | 西安电子科技大学 | 轴承有限元模型简化等效方法、系统、介质、设备及终端 |
| CN113010976A (zh) * | 2021-02-09 | 2021-06-22 | 中国航发哈尔滨东安发动机有限公司 | 一种直升机主减速器壳体强度仿真方法 |
| CN112989662A (zh) * | 2021-03-18 | 2021-06-18 | 湖南南方宇航高精传动有限公司 | 一种风电齿轮箱柔性销结构的有限元计算方法 |
| CN113268831B (zh) * | 2021-06-03 | 2023-05-16 | 重庆大学 | 一种获取谐波齿轮传动应力的分析方法 |
| CN113742960A (zh) * | 2021-08-10 | 2021-12-03 | 昆明理工大学 | 一种三维平面曲边裂纹断裂参数高阶有限元数值模拟方法 |
| CN114611370B (zh) * | 2022-05-11 | 2022-11-01 | 中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司 | 预测转子超转破裂转速及破裂模式的方法及转子构型方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104500615A (zh) * | 2014-12-11 | 2015-04-08 | 江苏大学 | 一种大功率调速离合器 |
| CN106202647A (zh) * | 2016-06-29 | 2016-12-07 | 北京科技大学 | 电主轴的多轴疲劳寿命预测方法及疲劳寿命可靠性评估方法 |
| CN206195574U (zh) * | 2016-10-11 | 2017-05-24 | 合肥国轩高科动力能源有限公司 | 一种电动汽车用永磁同步电机转子冲片 |
| CN107977538A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-05-01 | 刘长喜 | 复合材料挠性元件设计方法 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009036669A (ja) * | 2007-08-02 | 2009-02-19 | Toshiba Corp | 溶接残留応力解析方法および溶接残留応力解析システム |
| CN103455679A (zh) * | 2013-09-06 | 2013-12-18 | 湘潭电机股份有限公司 | 一种复合材料的有限元分析方法 |
| CN105005671A (zh) * | 2015-07-30 | 2015-10-28 | 中航沈飞民用飞机有限责任公司 | 一种承受均布载荷系统的动力学仿真分析方法 |
| CN108170972A (zh) * | 2018-01-10 | 2018-06-15 | 浙江吉润汽车有限公司 | 一种方程式赛车车架的有限元分析方法 |
| CN110059449B (zh) * | 2019-05-24 | 2022-12-13 | 南京林业大学 | 基于改进应力场强法的曲轴疲劳极限载荷预测方法 |
| CN110287598B (zh) * | 2019-06-26 | 2022-07-05 | 太原科技大学 | 一种胀紧联结套承载能力的设计方法 |
-
2020
- 2020-04-03 CN CN202010262751.6A patent/CN111563337B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104500615A (zh) * | 2014-12-11 | 2015-04-08 | 江苏大学 | 一种大功率调速离合器 |
| CN106202647A (zh) * | 2016-06-29 | 2016-12-07 | 北京科技大学 | 电主轴的多轴疲劳寿命预测方法及疲劳寿命可靠性评估方法 |
| CN206195574U (zh) * | 2016-10-11 | 2017-05-24 | 合肥国轩高科动力能源有限公司 | 一种电动汽车用永磁同步电机转子冲片 |
| CN107977538A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-05-01 | 刘长喜 | 复合材料挠性元件设计方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111563337A (zh) | 2020-08-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111563337B (zh) | 轴类零件强度有限元分析方法 | |
| Lisle et al. | External spur gear root bending stress: A comparison of ISO 6336: 2006, AGMA 2101-D04, ANSYS finite element analysis and strain gauge techniques | |
| CN111898218B (zh) | 一种变速器中间轴极限承载能力的预报方法 | |
| Tiwari et al. | Stress analysis of mating involute spur gear teeth | |
| Blagojevic et al. | Numerical and experimental analysis of the cycloid disc stress state | |
| CN110889178A (zh) | 一种预测谐波减速器柔轮寿命的方法 | |
| CN111914358B (zh) | 发动机冲击作用下的变速器壳体极限承载能力预报方法 | |
| Chase et al. | Variation analysis of tooth engagement and loads in involute splines | |
| CN117807697A (zh) | 齿轮仿真加工处理方法、装置、电子设备及存储介质 | |
| Pardhi et al. | Stress analysis of spline shaft using finite element method and its experimental verification by photo elasticity | |
| Bodzás | Analysis of the effect of the addendum modification coefficient for contact surfaces of spur gear | |
| Malgar et al. | Investigation of fatigue behaviour of traction gear box gears | |
| CN113010978A (zh) | 一种基于动态仿真的航空直齿轮修形方法 | |
| CN110287598B (zh) | 一种胀紧联结套承载能力的设计方法 | |
| Wang et al. | Residual Stress and Deformation Analysis in Machining Split Straight Bevel Gears. | |
| Sonawane et al. | Static structural analysis of gear tooth | |
| Jeeva et al. | Analysis on bending stress of helical gear | |
| Lias et al. | Investigation of Axial Misalignment Effects to the Gear Tooth Strength Properties Using FEM Model | |
| Lee et al. | Simulation of Meshing of Herringbone Double Circular-Arc Helical Gears using Multibody Dynamic Analysis Software | |
| Amatya et al. | Development of MATLAB Based Software for Simple Spur Gear Design and its Validation for Stress Simulations | |
| Luan et al. | Effect of Installation Errors of Helical Gear on Bearing Capacity | |
| Gramblička et al. | Analysis of the effect deformations of individual components of gearbox on hers total lifetime | |
| Lei et al. | Research on Finite Element Model Generating Method of General Gear Based on Parametric Modelling | |
| CN117932799A (zh) | 差速器建模仿真方法、装置、设备及存储介质 | |
| CN116861577A (zh) | 一种基于仿真的航空螺旋锥齿轮修形方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wang Honghai Inventor after: Na Guoyu Inventor before: Wang Honghai |