有限元论文

基于ANSYSWorkbench的汽车主轴瞬态动力学分析摘要：主轴是汽车的重要零件之一。以汽车主轴为研究对象，在UG中建立汽车主轴的实体模型并导入到ANSYSWorkbench中，运用ANSYSWorkbench对汽车主轴进行材料属性定义、网格划分以及确定边界载荷条件等完成汽车主轴的有限元模型，然后采用瞬态动力学分析方法对汽车主轴的工作过程进行模拟仿真，获得了汽车主轴在变载荷下的位移云图、应力云图和速度变化图。由仿真结果可以看出汽车主轴在变载荷下的位移和应力变化也很大，为汽车主轴的设计和进一步的改进提供了理论依据。关键词：汽车主轴；ANSYSWorkbench；瞬态动力学；仿真Abstract：Thespindleisoneofthemostimportantmechanismsofthecarandthecarspindlewastakenasresearchobjectinthispaper.ThesolidmodelofthecarspindlewasestablishedbyUGandimportedintoANSYSWorkbenchtodefinethematerialproperties，meshthecarspindleaswellasdeterminetheboundaryconditionofloadandcompletethefiniteelementmodelofthecarspindle.Therefore，thetransientdynamicsimulationofthecarspindleworkingprocessbasedonANSYSWorkbenchwascarriedout，andthe.Thedisplacementnephogram,equivalentstressnephogramandvelocitynephogramofthecarspindleunderthevariableloadwereobtainedinacarspindleworkcycle,whichcanprovideatheorybasisforthecarspindledesignoptimizationandthefurtherimprovementofthecarspindle.随着汽车生产的全球化、家庭汽车的普遍化，汽车的安全性越来越重要。汽车主轴作为汽车的关键零部件，其性能对安全的影响也越来越重要。汽车主轴主要用于降低汽车在转弯时的扭矩，并平衡汽车的方向。汽车主轴动力性能的好坏直接影响着传动精度与转向精度。然而，由于汽车工作环境的恶劣，再加上诸如动力特性、配合误差、阻尼、刚度及负载等繁多因素都对其瞬态动力学特性有影响，因此很难对其动力学特性进行准确有效的测试与分析。本文应用三维建模软件UG和有限元分析软件ANSYSWorkbench对汽车主轴的瞬态动力学模型进行了建立，并进行数值仿真以确定汽车主轴在工作过程中的瞬态动力响应。1瞬态动力学分析理论瞬态动力学分析（也称时间－历程分析）用于确定结构承受随时间变化载荷时的动力学响应，使用这种分析方法可得出在变载荷作用下，结构内部随时间变化的位移云图和应力云图，瞬态分析不同于静态分析，瞬态动力分析主要考虑随时间变化载荷及阻尼和惯性的影响。瞬态动力学分析中求解的运动方程如下：[]{̈}+[]{̇}+[]{}={()}式中：[]为质量矩阵，[]阻尼矩阵，[]为刚度矩阵，{̈}为加速度向量，{̇}速度向量，{}为位移向量，{()}为变载荷向量。在任意给定的时间t，式（1）可认为是一系列静态的方程式同时考虑了惯性力[]{̈}和阻尼力[]{̇}，。在ANSYS中使用Newmark时间积分的方法来求解这些时间点的等式，相邻时间点之间的时间增值称为积分时间步长。基于式（1），本文采用完全瞬态动力分析方法（full法），它使用完整的动力分析控制方程（无矩阵缩减），包括完整的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，因此具有完整的非线性功能，包括塑性、蠕变、大变形、大应变等。2汽车主轴数学模型的建立某车辆主轴由四部分组成，两个主轴主要通过两个转轴销连接在一起用于传递载荷，假设工作过程中，转轴一端受力，另一端固定，根据其结构图及查阅相关的资料，利用三维建模软件UG建立了车辆主轴的三维模型，利用UG与ANSYSWorkbench之间的良好接口，可以实现数据之间的无缝传递，继而避免了数据的丢失，同时有效地弥补了Workbench在建模方面的不足。在UG中将模型保存为xt文件格式，在ANSYS中以Parasolid方式将模型导入其中，此方法导入的模型在ANSYS中尺寸不会发生任何变化，且易进行网格划分，最后导入到ANSYSWorkbench软件中的三维模型如图1（a）所示。在ANSYSWorkbench中将汽车主轴的材料属性均定义为结构钢，其属性分别为弹性模量E＝210GPa、泊松比μ＝0.3、密度ρ＝7850kg/m3。获得汽车主轴的有限元模型过程，也就是模型网格的划分。为了获得精确的求解结果，这里对模型整体采用自动划分方式划分，模型尺寸设置为3mm，局部采用手动划分进行调整，并采用四面体单元，整个模型共划分为20682个单元、37157个节点，有限元模型如图1（b）所示。(a)三维模型（b）网格划分模型图1汽车主轴模型3边界条件加载及结果分析车辆在运动的过程中，受到外界条件的影响极大，为了保证求解收敛以及求解结果的准确性，在给汽车主轴有限元模型添加负载和载荷的过程中，将汽车主轴一端固定、一端加上随时间变化的载荷，时间长度设置为5s，载荷变化情况如表1和图2所示。表1载荷变化表序号StepsTime/sX/(N·mm)Y/(N·mm)Z/(N·mm)110000211100003222000043350000544000655-10000图2载荷随时间变化曲线对汽车主轴设置完边界条件和载荷后，在ANSYSWorkbench中对汽车主轴进行瞬态计算，得出汽车主轴在仿真时间中的等效位移、等效应力云图以及位移、速度、等效应力变化曲线图，如图3～图6所示。由图3和图5和图6可以看出在第3s时刻主轴的变形和应力达到最大。（a）汽车主轴等效应力云图（b）汽车主轴等效应力变化曲线图3（a）Y方向（周向）云图（b）Y方向速度变化曲线图4(a)X方向的位移云图（b）X方向的位移变化曲线图5（a）Y方向的位移云图（b）Y方向的位移变化曲线图64结论利用UG建立汽车主轴的三维实体模型，将汽车主轴实体模型导入ANSYSWorkbench中，引用瞬态动力学仿真数据对汽车主轴施加了在5s内的动态变载荷，并对其进行了瞬态动力学仿真，得出动态变载荷下汽车主轴的应力和位移云图，从仿真结果可看出汽车主轴在变载荷下的位移和应力变化也很大。参考文献[1]李福海，张宏文，李勇，张智明.摘锭式采棉机凸轮机构的瞬态动力学分析[J].机械设计与制造，2013（4）：128-130.[2]任爱华，龚青山，常治斌，郑方炎.弧面分度凸轮机构瞬态动力学分析[J].机械设计与制造，2012（5）：205-207.[3]吕彭民，丁智.架桥机主梁结构瞬态动力学分析[J].长安大学学报，2005，25（4）：80-83.[4]巫少龙，张元祥.基于ANSYSWorkbench的高速电主轴动力学特性分析[J].组合机床与自动化加工技术，2010（9）：20-23.[5]赵志刚，巫少龙.基于ANSYS的机床电主轴动态性能分析[J].制造技术与机床，2010（8）：149-152.[6]凌桂龙，丁金滨，温正.ANSYSWorkbench15.0从入门到精通