(胡鹏)最终论文

1、南京林业大学南京林业大学本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文）题题 目：目： 轧机十字轴式万向节轧机十字轴式万向节 叉头力学响应研究叉头力学响应研究 学学 院：院： 汽车与交通工程 专专 业：业： 机械设计制造及其自动化 （汽车设计方向） 学学 号：号： 080306107 学生姓名：学生姓名： 胡 鹏 指导教师：指导教师： 周 家 付 职职 称：称： 讲 师 二二 O 一二年五月二十日一二年五月二十日I摘摘 要要十字轴式万向节是轧机中非常重要的部件，其具有传递扭矩大、应力大、冲击大、尺寸受空间严格限制等特点。经过查阅文献资料，了解轧机结构的最新产品成果，发现轧机的主传动系统多次发生断裂的设

2、备事故，其中万向节叉头断裂是主要失效形式，严重影响了厚板轧机的正常生产，大大增加了设备检修和备品备件的成本。为解决厚板主传动轴异常断裂的问题和提高其修复技术，有必要对轧机十字轴式万向节进行力学响应研究。本文主要是用 UG 软件（NX 7.0）建立万向节叉与十字轴模型并进行装配。在 UG 中进行装配模型的有限元分析，将十字轴模型导入 ANSYS 软件（ANSYS 12.0）进行万向节叉与十字轴模型的静力学有限元分析，并与相应材料的许用应力值作比较，得出相应的结论，在得出结论的基础上进行一定的优化处理，为轧机十字轴式万向节的力学响应研究提供了有效的可行方案。运用传统方法对十字轴的弯曲应力与切应力进

3、行分析，并与有限元法作比较。关键词：万向节叉关键词：万向节叉 十字轴十字轴 UG 建模建模 ANSYS 分析分析 有限元有限元 IIABSTRACTUniversal joint of cross shaft is a very important component in rolling mill, it has the characteristics that transmission torque is large, stress is great, impact is big, dimension is strictly and so on. Through access to lit

4、erature, to understand the structure of the rolling mill of the new product, found the main transmission system thick heavy rolling mill repeatedly happens large equipment accidents, the main failure is universal joint fork fracture, which seriously affected the thick heavy rolling mill normal produ

5、ction and spare parts cost. To solve the thick heavy plated mills main shaft abnormal fracture problem and improve its repair technology, it is necessary to analysis the response from the universal joint of cross shaft. This article will establish the models of universal joint fork and cross shaft,

6、and assemble them in the software of UG (NX 7.0). Also, it will use finite element analysis on the model of assembly, Then the model will be into software of ANSYS (ANSYS 12.0), it can analysis the static force of the universal joint fork and the model of cross shaft based on finite element, and com

7、pare it with allowable stress of the material, to get a conclusion. It needs to optimization the parameters based on the conclusion to offer an effectively scheme for the research from the universal joint of cross shaft in rolling mill conclude on the basis of a certain processing for rolling mill.

8、Finally, this article will analysis the bending stress and shear stress of the cross shaft based on the traditional method and compare it with the result of finite element t.Key words: universal joint fork cross shaft UG modeling ANSYS analysis finite elementIII目目 录录摘摘 要要 .IABSTRACTABSTRACT .II前前 言言

9、 .1第第 1 1 章章 软件简介软件简介 .31.1 UG 简介 .31.2 UG NX 有限元分析操作流程.41.3 ANSYS 简介 .5第第 2 2 章章 万向节与有限元法研究的相关概况万向节与有限元法研究的相关概况 .82.1 课题的研究背景及意义.82.2 国内外研究现状与发展.82.2.1 传统十字轴式万向节设计方法 .82.2.2 现代十字轴式万向节设计方法 .92.3 有限元法与传统方法的比较.9第第 3 3 章章 建模与装配建模与装配 .113.1 万向节叉实体模型的建立.113.2 十字轴实体模型的建立.113.3 万向节叉与十字轴实体模型的装配.12第第 4 4 章章

10、万向节叉在万向节叉在 UGUG 软件中的静力学响应分析软件中的静力学响应分析 .134.1 创建有限元模型.134.2 定义材料属性与物理属性.134.3 网格划分.144.4 创建仿真模型.154.5 约束、创建面接触、加载.164.6 仿真模型检查.174.7 模型求解.174.8 显示求解结果.184.8.1 万向节叉求解结果 .184.8.2 十字轴求解结果 .22第第 5 5 章章 十字轴在十字轴在 ANSYSANSYS 软件中的静力学响应分析与优化软件中的静力学响应分析与优化 .245.1 定义工作文件名和工作标题.24IV5.2 定义单元类型.245.3 定义材料性能参数.245

11、.4 十字轴实体模型导入 ANSYS .255.5 网格划分.265.6 约束与加载.275.7 进入求解器，计算求解.305.8 查看求解结果.305.9 十字轴在 ANSYS 与 UG 中的分析结果比较.335.10 十字轴结构优化.33第第 6 6 章章 传统方法对十字轴的分析传统方法对十字轴的分析 .36第第 7 7 章章 总总 结结 .376.1 全文总结.376.2 展望.37参考文献参考文献 .38致致 谢谢 .401前 言十字轴式万向节是轧机中非常重要的部件，主要由轴承盖、万向节叉、十字轴、滚针与套筒组成1。其主要特点为： 1.具有较大的角度补偿能力 ；2.结构紧凑合理 ，SW

12、C-BH 型采用整体式叉头，使运载更具可靠性 ；3.承载能力大 ，与回转直径相同的其它型式的联轴相比较，其所传递的扭矩更大， 而对回转直径受限制的机械设备，其配套范围更具优越性 ；4.传动效率高 ，传动效率高达 98%99.8%，用于大功率传动，具有明显的节能效果；5.尺寸受空间严格限制； 6.运载平稳，噪声低，装拆维护方便。经过查阅文献资料，了解轧机结构的最新产品成果，发现轧机的主传动系统多次发生断裂的设备事故，其中十字轴法兰过渡圆角部位断裂与激光修复后万向节叉头断裂是主要失效形式，如图 1 所示法兰过渡圆角部位断裂图片，如图 2、3 所示分别为万向节叉头断裂图片与叉头断口形貌图片，严重影响

13、了厚板轧机的正常生产，大大增加了设备检修和备品备件的成本。为解决厚板主传动轴异常断裂的问题和提高其修复技术，有必要对轧机十字轴式万向节进行力学响应研究。图 1 法兰过渡圆角部位断裂图片本文主要是以万向节为研究对象，研究万向节叉与十字轴在静载荷情况下的应力应变情况。熟悉并能熟练运用 UG、ANSYS 软件，首先是用 UG 软件（NX 7.0）建立万向节叉与十字轴模型并进行装配，然后在 UG 中进行装配图的静力学有限元分析，将十字轴实体模型导入 ANSYS 软件（ANSYS 12.0）中进行十字轴实体模型的静力学有限元分析，经分析找出其异常断裂的原因，最后在其基础上对十字轴进行一定的优化。2图 2

14、 万向节叉头断裂图片图 3 叉头断口形貌图片通过对十字轴式万向节叉头的有限元分析，我们可以实现该形式的设计与优化，大大减少十字轴式万向节的损坏，不仅能满足我们学生之间的学科交流，使其利用自身所学的知识和专长，解决实际工程问题，能增加我们对学习的兴趣，锻炼我们的创新思维能力，提高解决实际问题的能力。3第 1 章 软件简介1.1 UG 简介UG(Unigraphics)是 Unigraphics Solutions 公司推出的 CADCAMCAE 为一体的三维机械设计平台，也是当今世界广泛应用的计算机辅助设计、分析和制造软件之一。它是从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件。广泛应用

15、于汽车，航空航天、机械、消费产品、医疗器械、造船等行业，它为制造行业产品开发的全过程提供解决方案，功能包括概念设计、工程设计、性能分析和制造。它采用基于约束的特征建模和传统的几何建模为一体的复合建模技术，在曲面造型、数控加工方面是强项，但在分析方面较为薄弱。但 UG 提供了分析软件 NASTRAN、ANSYS、PATRAN 接口，机构动力学软件 IDAMS 接口，注塑模分析软件 MOLDFLOW 接口等2。它的主工作区包括标题栏、菜单栏、工具栏、工作区、坐标系、快捷菜单栏、资源工具条、提示栏和状态栏等 9 个部分。UG 具有以下优势：（1）可以为机械设计、模具设计以及电器设计单位提供一套完整的

16、设计、分析和制造方案；（2）UG 可以管理 CAD 数据以及整个产品开发周期中所有相关数据，实现逆向工程（Reverse Design）和并行工程（Concurrent Engineer）等先进设计方法；（3）UG 是一个完整的参数化软件，为零部件的系列化建模、装配和分析提供强大的基础支持；（4）UG 具有强大的装配功能，并在装配模块中运用了引用集的设计思想。为节省计算机资源提供了行之有效的解决方案，可以极大地提高设计效率；（5）UG 可以完成包括自由曲面在内的复杂模型的创建，同时在图形显示方面运用了区域化管理方式，节约系统资源。UG 支持从顶向下装配、从底向上装配以及混合装配三种装配方法，装

17、配建模有以下特征：1. 有一个面向团队的设计系统；2. 组件几何体被虚拟指向装配件，而不是被复制到装配件；3. 相关性被维护在全装配件中；4. 装配导航器提供装配结构的图形显示，方便选择和操作；5. 通过使用配对条件参数化地装配组件；46. 装配功能（主模型方法）可以在制图或制造等其他方面应对。1.2 UG NX 有限元分析操作流程NX Nastran 主要分析功能有：静力学分析、动力学分析、屈服响应分析、非线性静力学分析3。UG NX 高级仿真和其他有限元分析软件基本操作一致，分为前处理、求解和后处理三大步骤，还可以完成结构优化、疲劳耐久预测等任务，其基本操作流程如下：（1）创建主模型或导入

18、三维模型；构建合理的、参数化的主模型，可以大大提高仿真和优化计算的速度和效率。（2）模型编辑、简化、特征抑制；对仿真计算和分析结果影响不大的细节结构，通建模中的编辑、简化、特征抑制等手段，对细节结构进行处理，不让它们进入到后续高级仿真模块，有效地提高了计算效率，为大、杂、繁类型的三维模块前处理提供了极大的便利。同时，在约束、加载过程中对模型的抑制，可以有效地拾取所要约束或加载的对象，为拾取操作提供了便利。（3）进入高级仿真环境；（4）优化理想化模型；在高级仿真的环境中，对主模型中的细节特征或几何要素对整个分析结果影响不大的几何结构进行抑制或删除，即可进入理想化模型编辑环境。（5）创建有限元模型

19、；主要是对实体模型的材料属性、物理属性、单元类型、网格类型的定义，最后进行网格划分。（6）创建仿真模型；即对实体模型的约束类型、模型对象、载荷类型的设置。（7）仿真模型检查；在模型求解之前，可以通过【仿真信息汇总】命令来查看边界条件和载荷情况设置是否合理；通过【模型设置检查】命令来查看上述操作是否存在不合理之处，如有错误提示，则分别在仿真环境或返回到有限元模型环境进行检查与修改，在有限元求解中起到很重要的作用。（8）仿真模型求解；（9）仿真模型后处理；5【后处理导航器】中有【位移-节点的】 、 【旋转-节点的】 、 【应力-基本的】 、 【应力单元节点】 、 【反作用力-节点的】和【反作用力矩

20、-节点的】五选项，通过这五项选项，可以得应力应变云图等指标。（10）输出仿真报告；（11）保存文件及其含义。1.3 ANSYS 简介ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件4。软件主要包括三个部分： 前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。1.实体模型ANSYS 软件提供了自顶向下与自底向上两种实体建模方法。自顶向下进行实体建模时，当用户定义一个高级图元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户可以利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的多边形和圆以及三维的立方体、圆锥、圆

21、柱等。无论使用自顶向下还是自底向上得方法建模，用户均能使用布尔操作来组合数据集，进而建立一个实体模型。同时 ANSYS 程序提供了完整的布尔运算，诸如布尔加、布尔减、相交、分割、粘贴和重叠。在创建复杂实体模型是，对、线、面、体、基元的布尔运算能减少建模工作量。ANSYS 程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动以及拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首选定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。这使得在用 AN

22、SYS 软件的前处理模块建立几何形状复杂的模型时比较麻烦，不能与专业建模软件（如 UG、PreE）相比，它的主要功能体现在分析计算模块和后处理模块。2.网格划分ANSYS 程序提供了使用便捷、高质量的对 CAD 模型进行网格划分的功能。包括延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。6延伸网格划分可以将一个延伸变为三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几个部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格，ANSYS 程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，不免用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件

23、的实体模型后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或到达用户定义的求解次数。对于万向节叉与十字轴模型的网格划分，将采用自由网格划分。前处理阶段完成建模后，用户可以在求解阶段获得分析结果。在该阶段，用户可以定义单元类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元分析。 分析计算模块包括结构分析（可进行静力分析、动力学分析和非线性性分析） 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；1.结构静力分析结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合

24、求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS 程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如膨胀、塑性、大应变以及接触应力分析。本文即是运用结构静力分析的方法对十字轴进行有限元分析。2.结构动力学分析结构动力学分析用来求解随时间变化的力载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的的影响。ANSYS 可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析以及随机振动响应分析。万向节的实际工况是受交变载荷，运用结构动力学分析能更好的模拟出实际工况下的应力应变。3.结构非线性分析结构非线性导致结构或部件的响应

25、随外载荷不成比例变化。ANSYA 程序可求解静态和瞬态非线性分析，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。在万向节叉的分析中，由于万向节叉的静力学分析中运用到接触程序，使得万向节叉的求解中运用了结构非线性分析。4.流体动力学分析ANSYS 流体单元进行动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可7以利用后处理功能产生压力、流率和温度分析的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。5.电磁场分析主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电池分析、磁力线分布、力、运动效应、电路和

26、能量损失的等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。6.声场分析程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分部，或预测水对振动船体的阻尼效应。6.压电分析用于分析二维或三维结构对 AC（交流） 、DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于热交换器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其他电子设备的结构动态性能分析。可用于 4 中类型的分析:静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。 后处理模块可将计算结果

27、以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。ANSYS 软件的后处理过程包括两个部分：通过后处理模块 POST1 和时间历程后处理模块 POST26。通过友好的用户界面，可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示。这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式可以有图形显示和数据列表两种。1.通过后处理模块 POST1这个模块对前面的分析结果能以图形形式显示和输出。例如：计算结果在模型上的变化情况可用等值线图表示，不同的等值线颜色，代表了不同的值。浓淡图则用

28、不同的颜色代表不同的数值区，清晰地反映了计算结果的区域分布情况。2.时间历程响应后处理模块 POST26这个模块用于检查在一个时间段或子步历程中的结果，如节点位移、应力或支反力。这些结果能通过绘制曲线或列表查看。绘制一个或多个变量随频率或其他量变化的曲线，有助于形象化地表示分析结果。另外，POST26 还可以进行曲线的代数运算。8第 2 章 万向节与有限元法研究的相关概况2.1 课题的研究背景及意义万向节是万向传动轴的一个重要组成部分，工作中受扭曲、压缩等交变载荷的作用，而万向节中的十字轴则受弯曲应力与切应力，由于其结构复杂，工作环境恶劣，对万向节的结构分析和设计优化是一项困难的工程。传统设计

29、方法使用的材料力学公式很难计算出万向节叉的应力应变状态5，有限元法以其独特的特点，能够对结构状态和载荷复杂的构件进行分析，被广泛地应用在各类零部件的分析中。对万向节进行静力学的有限元分析是在了解万向传动轴所受的额定扭矩，并根据额定扭矩推算十字轴的一根轴的两端受力情况下得到的。这与其实际工作情况比较接近，计算应力应变值比较符合实际，基本上能够较准确的分析出万向节叉与十字轴的受力情况，且能实时知道其各个点的受力情况，从而可以分析计算出万向节叉与十字轴所能承受的最大载荷及其分布部位。2.2 国内外研究现状与发展2.2.1 传统十字轴式万向节设计方法十字轴式万向节的的损坏形式主要有十字轴轴颈和滚针轴承

30、的磨损，十字轴轴颈和滚针轴承工作表面出现压痕和剥落6。一般情况下，当磨损或压痕超过 0.15mm 时便应报废。十字轴主要失效形式是轴颈根部断裂，所以设计时应保证该处有足够的抗弯强度。本文只讨论十字轴轴颈的损坏。作用于十字轴轴颈中点的力为：F=T12rcos （2-1）式中 T1 为万向传动的计算转矩，T1=minTse，Tss；r 为合力 F 作用线到十字轴中心之间的距离； 为主、从动叉轴的最大转角。十字轴轴颈根部的弯曲应力 w和切应力 应满足：w=32d1Fs（d14-d24）w （2-2）=4F（d12-d22） （2-3）式中，d1为十字轴轴颈直径（mm） ；d2为十字轴油道孔直径（mm

31、） ；s 为合力作用线到轴颈根部的距离（mm） ；w为弯曲应力的许用值，为 250350MPa；为切应力的许用值，为 80120 MPa。万向节叉与十字轴组成连接支承，在力 F 的作用下产生支承反力，在与十字轴轴孔中心线成 45的截面处，万向节叉承受弯曲9和扭曲载荷，其弯曲应力为 w和扭应力为 b应满足：w=FWw （2-4）b=FWtb （2-5）式中，W 、Wt分别为与十字轴轴孔中心线成 45的截面处的抗弯截面系数和抗扭截面系数，矩形截面：W=6bh2，Wt=kbh2；椭圆形截面：W=bh210，Wt=bh216；h、b分别为矩形截面的高和宽或椭圆形截面的长轴和短轴；k 是与 hb 有关的

32、系数，按表 2-1 选取；、 如图 2-1 所示。表表 2-12-1 系数系数 k 的选取的选取hb1.01.51.752.02.53.04.010k0.2080.2310.2390.2460.2580.2670.2820.312图 2-1 万向节叉2.2.2 现代十字轴式万向节设计方法现代十字轴式万向节的设计是在确定十字轴尺寸的情况下，进行相关的有限元的静力学分析，由于应用有限元法对各种零部件的结构分析研究逐渐多起来，运用有限元法对万向节的计算不在局限于静力学分析，开始考虑动态特性分析，对万向节直接进行循环工况下的动态特性分析。现代万向节设计已经发展到包括有限元法、优化和动态设计等在内的计算

33、机分析、预测和模拟阶段。计算机有限元技术与微观分析技术等相结合已成为研究万向节的行之有效的方法。2.3 有限元法与传统方法的比较有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题再求解。十字轴式万向节的有限元法是把万向节叉或十字轴的求解区域看做有许多个小的在节点处相互连接的单元所构成，其模型给出基本方程的分片近似解，由子单元可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂10的材料特性和复杂的边界条件19。有限元法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。而传统方法对比较规则的模型的计算比较简单，但对几何形状复杂的模型往往是很难求的最大应力区域及大

34、小，亦或者要经过非常复杂的公式推算，才可能对模型进行求解。对于传统方法中的实验法，则必须要进行多实验，且在进行疲劳破坏分析的实验中，对万向节叉与十字轴肯定会造成破坏的，这样使得分析的成本大大的增加20。综合以上，有限元法比传统的方法更适用于万向节的力学响应分析。11第 3 章 建模与装配3.1 万向节叉实体模型的建立由于该万向节叉几何形状较复杂，由多个曲面相贯而成，其建模有较大的难度，故在建模过程中稍微改变万向节叉模型的尺寸，省略一些孔等，建立的模型如图 3-1 所示万向节叉实体模型7。图 3-1 万向节叉实体模型3.2 十字轴实体模型的建立对于十字轴模型，同样可以进行相应的简化处理，如省去油

35、路部分，十字轴的轴承部位直接用圆柱体代替，省去了滚针轴承与十字轴的一轴两端的装配，减小装配的难度与工作量，力求不影响分析结果的情况下，使得生成十字轴的最简化实体模型，十字轴实体模型如图 3-2 所示。12图 3-2 十字轴实体模型3.3 万向节叉与十字轴实体模型的装配在装配的过程中，使万向节模型定位在绝对原点上，对十字轴进行移动旋转，使得万向节叉与十字轴的模型能够装配正确，装配图形如图 3-3 所示。图 3-3 装配图形13第 4 章 万向节叉在 UG 软件中的静力学响应分析4.1 创建有限元模型（1）在 UG NX 7.0 的建模环境中构建好图 3-3 所示装配好的模型后，单击【开始】【高级

36、仿真】命令，在【仿真导航器】中右击【zhuangpeitu】节点，在出现的快捷菜单中单击【新建 FEM】命令，弹出【新建部件文件】对话框，默认【新文件名】栏的【名称】文本框中的文件名，通过单击图标图标，选择保存途径，单击【确定】按钮。（2）弹出【新建 FEM】对话框，默认【求解器】和【分析类型】中的选项，单击【确定】按钮，进入创建有限元模型的环境。4.2 定义材料属性与物理属性查阅资料可知，十字轴采用低合金钢制造，常用材料为 40Cr、40CrMo、40CrNi 或20CrVB，热处理后硬度 5862HRC，其它各零件均采用 35 或 45 钢制造并经热处理4852HRC8。 （1）单击工具栏

37、中的【材料属性】图标，弹出如图 4-1 所示的【指派材料】对话框，在窗口中选择万向节叉实体模型，在【材料】列表框中单击【Steel】（45 钢），单击【应用】按钮；同样定义十字轴的材料属性，其材料属性为【Iron40】（40Cr 合金钢）,单击【确定】按钮，关闭该对话框。图 4-1 【指派材料】对话框（2）单击工具栏中的【物理属性】图标，弹出如图 4-2 所示的【物理属性表管理14器】对话框，设置【创建】栏中的【类型】、【名称】和【标签】为默认值，单击【创建】按钮，弹出【PSOLID】对话框，如图 4-3 所示，在【Material】列表框中选取【Steel】选项，其他参数为默认值，单击【确定

38、】按钮，返回到如图 4-2 所示的【物理属性表管理器】对话框。在【标签】文本框中自动修改为【2】，重复上面操作，在【Material】下拉框中选取【Iron40】选项，其他操作不变，单击【关闭】按钮，关闭该对话框。 图 4-2 【物理属性表管理器】对话框 图 4-3 【PSOLID】对话框（3）单击工具栏中的【网络捕集器】图标，弹出【网络捕集器】对话框，默认【单元拓扑结构】栏中的各个选项设置内容，在【Solid Property】列表框中选取上述设置的【PSOLID1】,默认网格名称为【Solid（1） 】 ，单击【应用】按钮，即创建第 1 个网格属性名称；采用同样的操作，在【Solid Pr

39、operty】列表框中选取上述设置的【PSOLID2】 ，创建第 2 个网格属性名称 Solid（2） ，单击【确定】按钮，关闭该对话框。4.3 网格划分（1）单击工具栏中的【3D 四面体网格】图标，弹出【3D 四面体网格】对话框。首先在工作窗口中选中万向节叉实体模型，默认单元类型为【CTETRA（10） 】 （十节点四面体） ，在【单元大小】栏中输入 30，【目标捕捉器】栏中选取【Solid（1） 】 ，其余不变，单击【应用】按钮，完成对万向节叉实体模型的网格划分。（2）在工作窗口中选中十字轴实体模型，默认单元类型为【CTETRA（10） 】 ，单击【单元大小】右侧的【自动单元大小】按钮，确

40、定适合尺寸的网格单元，在【目标捕捉器】栏中选取【Solid（2） 】 ，其余不变，单击【确定】按钮，完成对十字轴实体模型的15网格划分。网格划分后的实体模型如图 4-4 所示。（3）单击工具栏中的【有限元模型检查】图标，弹出如图 4-5 所示的【模型检查】对话框，单击【确定】按钮，查看弹出的【信息】列表，万向节叉划分了 18034 个网格单元，十字轴划分了 3137 个网格单元，共划分了 21171 个网格单元。 图 4-4 万向节网格划分模型 图 4-5 【模型检查】对话框4.4 创建仿真模型（1）右击【仿真导航器】窗口中的【zhuangpeitu】节点，弹出快捷菜单，单击【新建仿真】命令，

41、弹出【新建部件文件】对话框，默认【新文件名】的设置，单击【确定】按钮，弹出【新建仿真】对话框，设置如图 4-6 所示。单击【确定】按钮，关闭该对话框。（2）弹出【创建解算方案】对话框，默认【解算方案】栏下面的各个选项的设置，如图 4-7 所示，单击【确定】按钮，关闭该对话框。 16图 4-6 【新建仿真】对话框 图 4-7 【创建解算方案】对话框4.5 约束、创建面接触、加载约束与加载的原理为：将叉头底面固定，在十字轴的一个轴两端部施加反向载荷，模拟轧制扭矩9。（1）单击工具栏中的【约束类型】图标，单击【固定约束】命令，弹出【固定约束】对话框，在工作窗口中选中万向节叉的底面，单击【固定约束】对

42、话框中的【确定】按钮，完成对万向节叉底面的约束，如图 4-8 所示施加约束图形。 （2）单击工具栏中的【仿真对象类型】图标，单击【曲面与曲面接触】命令，弹出如图 4-9 所示的【曲面与曲面接触】对话框，将【类型】栏中的“自动配对”切换为“手工”，同时抑制【仿真导航器】窗口中的【Polygon Body2】和【Solid（2）】两个节点，在工作窗口选中万向节叉两内孔面；单击【目标区域】栏中的“选泽对象”， 抑制【仿真导航器】窗口中的【Polygon Body1】和【Solid（1）】两个节点，同时解除对【Polygon Body2】和【Solid（2）】两个节点的抑制，在工作窗口选中十字轴与万向

43、节叉两孔相接触的面，解除对【Polygon Body1】和【Solid（1）】两个节点的抑制，在【属性】栏中的“静摩擦系数”框中输入“0.2”，单击【确定】按钮，完成对解除面的设置。 图 4-8 施加约束图形 图 4-9 【曲面与曲面接触】对话框（3）单击工具栏中的的【载荷类型】图标，单击【力】命令，弹出如图 4-10 所示的17【力】对话框，选择十字轴轴颈一端的端面，在【幅值】栏中的空白处输入2083333.3（端面载荷=额定扭矩轴颈长度10，额定扭矩为 1000KNm，轴颈长度为0.48m） ，单击【方向】栏中的“指定矢量” 图标，选择 X 方向（正负方向自定，组成力偶矩即可） ，单击【应

44、用】按钮，参照上面步骤，在轴颈另一端端面施加反向载荷，施加载荷后的图形如图 4-11 所示11。 图 4-10 【力】对话框 图 4-11 施加载荷图形4.6 仿真模型检查 单击工具栏中的【有限元模型检查】图标，弹出如图 4-5 所示的【模型检查】对话框，单击【确定】按钮，查看弹出的【信息】列表，可以看到解算方案模型设置检查错误汇总，根据汇总的内容，对错误或有警告的边界条件和载荷情况设置进行修改。4.7 模型求解单击工具栏中的【求解】图标，弹出【求解】对话框，单击【确定】按钮，分别弹出【方向作业监视器】和【解算监视器】窗口，等【分析作业监视器】中出现“Completed”的提示并可以在【解算监

45、视器】窗口可以查看【解算信息】选项卡中的信息，从中可以查看【稀疏矩阵求解器】选项卡中的内容，如图 4-12 所示，观看该解算方案的计算是否已收敛。如果是收敛的，意味分析作业能够顺利完成，可以进入后处理显18示和结果分析操作，关闭上述各个信息窗口。由图 4-12 可知，解算方案是收敛的，收敛于 98502，分析作业能够顺利完成，可以进入后处理和结果分析操作，能够进入下一步的操作，得到应力应变云图。图 4-12 【解算监视器】窗口的求解方程是否收敛4.8 显示求解结果4.8.1 万向节叉求解结果万向节叉求解结果（1）双击【仿真导航器】窗口中的【Results】节点，弹出【后处理导航器】，展开【So

46、lution 1】节点，单击【位移-节点的】节点，双击【Magnitude】节点，展开【后处理导航器】窗口中的【Fringe Plots】节点，抑制单元【3dmesh（2）】的显示，在工作窗口中即可显示如图 4-13 所示的万向节叉实体模型的变形位移云图。由图 4-13 可以得知，万向节叉的最大变形区是在万向节叉的顶端，最大变形位移为6.62210-4m，这与实际中的万向节叉的应变相符。19图 4-13 万向节叉实体模型的变形位移云图图 4-14 未变形模型20（2）单击工具栏中的【后处理视图】图标，弹出【后处理视图】对话框，激活【显示未变形的模型】选项，单击【变形】选项【结果】按钮，在【比例

47、】输入框中输入“10”，放大其变形量，在工作窗口中同时显示变形模型和未变形模型，如图 4-14 所示抑制【变形】选项，单击【确定】按钮，关闭该对话框。（3）展开【Solution 1】节点上的【应力-基本的】节点，双击【Von-Mises】节点，在工作窗口中即可显示如图 4-15 所示的万向节叉实体模型的应力云图。图 4-15 万向节叉实体模型应力云图由图 4-15 可知，万向节叉最大应力值为 489.2MPa，最小应力为 2.394MPa，最大应力点大约在轴孔 45角的位置，在轴孔面与万向节叉外表面交界处，与实际断裂位置相吻合，最小应力区域万向节叉的底座部位12。（4）单击展开的【Solut

48、ion 1】节点上的【应力-单元节点】节点，双击【Von-Mises】节点，在工作窗口中即可显示如图 4-16 所示的万向节叉实体模型的节点变形应力云图。由图 4-16 可知，万向节叉节点最大应力值为 680.5MPa，最小应力为 2.146MPa，最大节点应力点大约在轴孔 45角的位置，在轴孔面与万向节叉外表面交界处，同样与实际断裂位置相吻合。21图 4-16 万向节叉实体模型的节点变形位移云图根据机械设计手册（上）（吴宗泽 北京 机械工业出版社 2002），许用安全系数的选取原则如表 4-1 所示：表表 4-1 许用安全系数选用原则许用安全系数选用原则S选取原则1.31.5载荷确定精确，材

49、料性质较均匀1.51.8载荷确定不够精确，材料性质不够均匀1.82.5载荷确定不够精确，材料性质均匀度较差由于万向节的应力变化剧烈，且现场实际工况复杂，不同条件下冲击值无法一一确定，而且万向节结构也很复杂，经过热处理和表面硬化处理后，材料的力学性能并不完全一致，因此许用安全系数选取S=1.8万向节叉材料的力学性能参数由实测获得，材料抗拉极限强度 b=900MPa，则万向节叉的许用应力 = s/ S=500MPa由最大应力值与许用应力值相比较的，最大应力小于许用应力，不会因为应力过大而导致直接破坏。但在周期应力的工况下，最大应力很接近许用应力，容易受到疲劳破坏，应减小其额定扭矩。4.8.2 十字

50、轴求解结果22对于十字轴实体模型的有限元分析，将在 ANSYS 软件中分析，为比较 ANSYS 专业分析软件与 UG 软件分析结果的不同处，有必要得出十字轴的相关求解结果，对十字轴的求解结果不做分析，将与 ANSYS 软件当中的分析结果一同分析。抑制单元【3dmesh（1）】的显示，同时激活单元【3dmesh（1）】的显示，参照上面操作，显示十字轴的变形位移云图、X 方向变形位移云图、Y 方向应力云图，如图4-17、4-18、4-19 所示。图 4-17 十字轴实体模型变形位移云图由十字轴实体模型的应力应变云图可知，十字轴实体模型的最大总位移为 1.52910-3m；Y 方向的最大位移为 1.

51、49110-3m；Y 方向最大应力为 607.0MPa。23图 4-18 十字轴实体模型 X 方向变形位移云图图 4-19 十字轴实体模型 Y 方向应力云图24第 5 章 十字轴在 ANSYS 软件中的静力学响应分析与优化5.1 定义工作文件名和工作标题（1）选择 Utility MenuFileChange Jobname 命令,出现 Change Jobname 对话框，在FILNAM Enter new Jobname 输入工作文件名 crossshaft，并将 New log and error files 设置为 Yes，单击【OK】按钮，关闭该对话框13。（2）选择 Utility

52、 MenuFileChange Title 命令,出现 Change Title 对话框，在FILNAM Enter new title 输入栏中输入 MESHING AND SOLVE TO A MECHANICSL,单击【OK】按钮，关闭该对话框。5.2 定义单元类型（1）选择 Main MenuPreprocessorElementAddEditDelete 命令，弹出Element Types 对话框，单击【Add】按钮，弹出 Library of Element Types 对话框。（2）在 Library of Element Types 对话框复选框中选择 Solid ，20no

53、de 186（选择用于金属材料分析的三维六面体等参元 SOLID186,该单元具有 20 个节点，并可退化为10 节点四面体等参元等），如图 5-1 所示“单元类型列表”对话框，单击【OK】按钮，关闭该对话框。图 5-1 “单元类型列表”对话框（3）单击 Element Types 对话框上的【Close】按钮，关闭该对话框。5.3 定义材料性能参数 一般是在进行模态分析与考虑自身重量的情况下，定义材料密度，此为十字轴的静力学分析，只需定义材料的弹性模量和泊松比。（1）选择 Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models 命令，弹出 Def

54、ine Material Model Behavior 对话框25（2）在 Material Models Available 一栏中依次单击Structural、Linear、Elastic、Isotropic 选项，弹出 Linear Isotropic Properties for Material Number 1 对话框，在 EX 输入栏中输入 2.06E11，在 PRXY 输入栏中输入0.3（查阅资料可知，十字轴采用低合金钢制造，常用材料为 40Cr、40CrMo、40CrNi 或20CrVB，热处理后硬度 5862HRC，其它各零件均采用 35 或 45 钢制造并经热处理4852

55、HRC,故由十字轴联轴器的材料的弹性模量与泊松比分别为 206GPa、0.3），如图5-2 所示“输入材料弹性模量和泊松比”对话框，单击【OK】按钮，关闭该对话框。图 5-2 “输入材料弹性模量和泊松比”对话框（3）在 Define Material Model Behavior 对话框上选择 MaterialExit 命令，关闭该对话框。5.4 十字轴实体模型导入 ANSYS（1）选择 Utility MenuFileImportUG 命令，弹出 ANSYS Connection for UG对话框，打开 shizizhou 所在的文件夹，选中文件名为 shizizhou 的文件，单击 AN

56、SYS Connection for UG 对话框中的【OK】按钮。（2）选择 Utility MenuPlotCtrlsStyleSolid Model Facets 命令，弹出Solid Model Facets 对话框，在 Style area and volume plots 下拉菜单中选择 Normal Faceting，如图 5-3 所示“实体模型方面”对话框，单击【OK】按钮，关闭该对话框。26图 5-3 “实体模型方面”对话框（3）选择 Utility MenuPlotCtrlsStyleColorsReverse Video 命令，设置显示颜色。（4）选择 Utility M

57、enuPlotVolumes 命令，ANSYS 显示窗口将显示如图 5-4 所示十字轴实体模型 图 5-4 十字轴实体模型5.5 网格划分(1) 选择 Main MenuPreprocessorMeshingSize CntrlsManualSizeGlobalSize 命令，弹出 Global Element Sizes 对话框，在SIZE Element egde length 输入栏中输入 20，设置网格划分单元尺寸为 20mm，如图 5-5 所示“定义单元尺寸”对话框，单击【OK】按钮，关闭该对话框。27图 5-5 “定义单元尺寸”对话框（2）选择 Main MenuPreproces

58、sorMeshingMeshVolumesFree 命令，弹出 Mesh Volumes 拾取菜单，单击【Pick ALL】按钮，关闭该对话框，对十字轴进行自由网格划分。对模型进行自由网格划分，定义的单元尺寸为 20，划分的单元比较小，共划分了28957 个单元，41986 节点，ANSYS 显示窗口将显示如图 5-6 所示十字轴模型网格划分结果显示。 图 5-6 十字轴模型网格划分结果显示5.6 约束与加载分别约束十字轴轴颈大端（ANSYS 显示窗口中的 Y 轴正负方向）的 128 个节点，根据额定扭矩的大小（此万向节的额定轧制扭矩为 1000KNm）分别在轴颈小端（ANSYS 显示窗口中的

59、 X 轴正负方向）的 78 个节点上施28加一定载荷（根据万向节的额定轧制扭矩为 1000KNm 以及十字轴轴颈相关尺寸，并有：十字轴每个节点施加载荷大小=额定轧制扭矩（1000KNm）(十字轴施加载荷端的轴颈两端距离(0.48m)十字轴施加载荷端一端的节点数(78)，载荷的方向分别为沿 Y 轴的正负方向，组成力偶矩，大小为 26709.4N）21。(1)选择 Utility MenuPlotCtrlsNumbering 命令，弹出 Plot Numbering Controls 对话框，选择 NODE Node numbers 选项，使其状态从 Off 变为 On，单击【OK】按钮，关闭该对

60、话框。记录十字轴两轴颈端面的节点，为约束与加载做准备。选择 Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Nodes 命令，弹出 Apply U，ROT on Node 拾取菜单，如图 5-7 所示“施加位移约束”拾取菜单。 图 5-7“施加位移约束”拾取菜单 29图 5-8“在节点上施加位移约束”对话框 在 Apply U，ROT on Node 拾取菜单中输入十字轴轴颈端相应节点序号，单击【OK】按钮。弹出 Apply U，ROT on Nodes 对话框，参照图 5-8 所示“在节点上施加位移约束”对话框，对其进行全