刘涛

摘 要：高速轴在工作过程中惯量大，受到的载荷也存在变化，持续变化的载荷可能存在应力集中影响轴的使用寿命。在UG中建立好轴的模型后导入ANSYS workbench定义材料属性并添加轴的约束和随时间变化的载荷，进行瞬态动力学分析得出变载荷下的应力及位移变化情况，结果表明符合轴的强度设计要求。

关键词：轴;瞬态动力学;有限元

高速轴作为减速器的重要部件，其质量和动力学特性决定了减速器的性能，对汽车行驶安全有着重要影响。[1]在汽车行驶过程中，影响高速轴在运转过程中动力学特性的因素较多，包括轴上齿轮的啮合精度和轴向定位精度等，来自发动机不断变化的输出转速和扭矩等，因此其动力学特性很难得以准确分析。[2]本文通过三维建模软件UG对某汽车高速轴进行实体建模，然后将实体模型导入ANSYS workbench有限元分析软件进行数值仿真模拟分析，确定该轴在工作过程中的瞬态动力学响应。

1 瞬态动力学理论

瞬态动力分析是在已知随时间变化载荷情况下分析结构的应力和位移等变化确定其变化载荷作用下的动态响应。瞬态动力学还综合考虑的惯性及阻尼的影响，[3]对仿真得出的应力位移等云图加以分析总结整个时间历程上结构的总体变化规律。适用于受冲击载荷和随时间变化载荷的结构分析。

瞬态动力学中的求解方程如下：

[M]{x¨}+[C]{x·}+[K]{x}={F（t）}（1）

式中：M为质量矩阵;C为阻尼矩阵;K为刚度矩阵;x¨为加速度向量;x·为速度向量;x为位移向量;Ft为变载荷向量。[4]对任意时间t，（1）式中可认为是一系列静态方程同时考虑了惯性力Mx¨和阻尼力Cx·。

2 模型的导入及网格划分

在UG中建立三维模型，导出Parasolid，文件格式为“.x_t”，导入workbench中。

轴材料为45号钢，极限抗拉强度为600MPa，屈服强度为355MPa，弹性模量E=2.0×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7850kg/m3。本文在划分网格时选择的系统默认四面体网格划分，全局单元尺寸为7mm，划分后共有个85771单元，123126个节点。有限元模型如图1所示。

3 边界条件添加及结果分析

结合高速轴的实际工作情况，在轴承连接的两轴端面添加Cylindrical Support仅保留切向自由。在有键槽的两端轴上添加两个大小相等方向相反的扭矩。扭矩持续5S对应值为（-80，-40，40，80，120）N.m。分析設置中设置五个分析步，每个分析步设置三个子步。之后进行瞬态动力学计算，完毕后查看X、Y、Z轴上的等效位移云图位移变化曲线以及总变形和等效应力的云图和对应变化曲线，如图2-3所示。

根据分析结果可知，在第5S结束时，高速轴总的变形量以及等效应力在第5s结束时达到最大，总的最大变形量为002738mm，等效应力最大处在左侧键槽边缘处，说明可针对键槽进行适当优化，防止因应力集中而在载荷较大时产生疲劳裂纹从而影响轴的正常使用。

4 结论

本文针对汽车某高速轴在UG中建立好模型然后导入ANSYS workbench中施加持续5s的变化扭矩，进行瞬态动力学分析得出等效位移及等效应力云图，等效应力最大值25.282Mpa在键槽边缘处但未超过材料许用应力55MPa，验证了轴建模和设计的合理性。此外该分析结果可作为对轴进行进一步优化设计，避免应力集中的基础和参考。

参考文献：

[1]刘东洋.汽车轴类零件加工质量的提高[J].中国新技术新产品，2018（01）：91-92.

[2]起雪梅，张敬东.基于ANSYS Workbench的汽车主轴瞬态动力学分析[J].计算机应用技术，2014（11）：41-43.

[3]巨文涛，代卫卫.ANSYS Workbench在结构瞬态动力学分析中的应用[J].煤炭技术，2014（08）：110-113.

[4]谭峰，殷国富，等.基于 ANSYS Workbench 的微型数控车床主轴动静态性能分析[J].组合机床与自动化加工技术，2015（4）：29-32.