Solidworks 2023三维设计及应用教程 课件 7.2 高速轴设计

欢迎学习计算机三维辅助设计结构强度分析结构强度分析是零件安全工作的保护神。7.1快速入门7.2应用实践7.3优化设计7.4多场协调7.2应用实践7.2.1弯扭组合阶梯轴强度校核7.2.2圆柱螺旋压缩弹簧设计7.2.3直齿圆柱齿轮强度设计7.2.4动车组车体碰撞分析学习目标进行轴静强度分析：掌握加载区域分割，轴承约束、扭矩添加进行疲劳强度分析：掌握疲劳分析原理、恒幅和变幅载荷寿命预测。进行轴的模态分析：掌握材料、约束和载荷复制/粘贴，频率、振型分析7.2.1阶梯轴强度校核一高速轴扭矩T=7000N.m，圆周力Ft=5000N，径向力Fr=1840N，轴向力Fa=700N，试对该轴进行静强度、刚度、疲劳强度和模态分析。1.轴的静强度和刚度校核（1）分割加载区域（2）局部网格细化（3）施加轴承约束（4）施加工作载荷（5）静强度校核（6）弯曲刚度校核静强度校核：避免瞬时过载，塑性变形刚度校核：避免刚度不足，变形过大（1）分割加载区域（2）局部网格细化（3）施加轴承约束（4）施加工作载荷（5）静强度校核可见最大应力为246.2MPa，该值小于45钢的屈服极限（280MPa），轴不会发生塑性变形。（6）弯曲刚度校核可见最大弯曲变形为0.2779mm，该值小于轴的挠度许用值（[f]=0.5mm），轴弯曲刚度合格。2.轴的疲劳强度分析（1）疲劳分析基础（2）S-N曲线添加（3）恒幅疲劳事件（4）变幅疲劳事件轴通常所受的载荷是变化的，因此以疲劳强度分析为主。应力比率r=最小应力/最大应力对称循环r=-1，脉动循环r=0（1）疲劳载荷类型恒幅载荷变幅载荷（2）设定S-N曲线在已知应力比R下的疲劳损伤极限Se及S—N曲线的斜率K，可根据S-N曲线确定应力Smax情况下达到疲劳损坏的次数Ni。（3）恒幅疲劳分析可见，轴最短寿命为19.55万次。1)选定恒幅疲劳2）设置载荷属性3）添加恒幅事件4）分析预测结果（4）变幅疲劳分析可见，最短寿命是610.1个谱块。1)选定变幅疲劳2）设置载荷属性3）添加恒幅事件4）分析预测结果3.轴的模态分析

轴是弹性体，旋转时由于轴和轴上零件的材料不均匀、制造有误差或对中不良等，就要产生以离心力为表征的周期性的干扰力，从而引起轴的弯曲振动。如果这种强迫振动的频率与轴的弯曲自振频率相重合时，就出现了弯曲共振现象。因此，有必要对轴进行模态分析。寻求结构振动特性（固有频率和主振型）以便更好地利用或减小振动。（1）复制材料（2）复制约束（3）一阶振型（4）固有频率（1）复制材料（2）复制约束（3）一阶振型如图，模式1的频率为1185.1Hz。（4）固有频率小结简要分析加载区域、轴承约束、扭矩的添加方法介绍了材料、约束等复制/粘贴方法介绍了疲劳寿命预测的步骤和原理：选类型、设属性、添事件、看结果介绍了模态分析的原理和步骤作业上机练习轴类零件的静强度、疲劳强度和模态分析。机电工程学院商跃进欢迎学习计算机三维辅助设计结构强度分析结构强度分析是零件安全工作的保护神。7.1快速入门7.2应用实践7.3优化设计7.4多场协调7.2应用实践7.2.1弯扭组合阶梯轴强度校核7.2.2圆柱螺旋压缩弹簧设计7.2.3直齿圆柱齿轮强度设计7.2.4动车组车体碰撞分析学习目标进行弹簧刚度分析：掌握强迫位移施加，列举约束反力和刚度确定方法。进行弹簧强度分析：掌握复制算例、最大载荷施加方法、应力选取方法，强度评价原则。进行弹簧稳定性分析：掌握屈曲分析过程、屈曲载荷确定方法。7.2.2圆柱螺旋压缩弹簧设计

已知某弹簧簧丝直径d=41mm、弹簧中径D=220mm、工作圈数n=2.9圈、自由高H0=256mm，承受的最大载荷Pmax=43kN。设计刚度[Kv]=925N/mm，许用应力[τ]=750MPa。

试对其刚度、强度和稳定性进行校核。1.刚度分析

基本思想：根据弹簧刚度的定义，得弹簧刚度CAE分析的基本思想：弹簧一端固定，另外一端施加单位位移，所得固定端支反力即为弹簧刚度。（1）下支撑圈固定

可见约束反力为931N，即弹簧刚度为931N/mm。与设计刚度925N/mm接近，弹簧刚度合格。（2）上支撑圈单位位移（3）查看约束反力2.强度分析

基本思想：弹簧一端固定，另外一端施加最大挠度（fmax=Pmax/Kv=43000/931=46.2mm），所得应力即为弹簧最大应力。（1）下支撑圈固定可见vonMises应力为921MPa，则当量剪应力为921MPa/2=460.5MPa，小于材料的许用应力（750MPa），弹簧强度合格。（2）上支撑圈最大挠度（3）查看最大应力3.稳定性分析

基本思想：弹簧一端固定，另外一端施加单位位移，进行屈曲分析确定位移屈曲因子乘以弹簧刚度即为临界载荷。（1）下支撑圈固定（3）查看临界挠度（2）上支撑圈单位位移临界载荷Pc=99.904×1.0×931/1000=93.1kN>Pmax=43kN，弹簧的稳定性合格。小结介绍了弹簧刚度计算步骤和原理：加单位位移，看约束反力介绍了弹簧强度设计步骤和原理：加最大挠度，看最大应力介绍了弹簧屈曲载荷的确定方法：加单位位移，看临界挠度作业上机练习动车组轴箱弹簧的刚度、强度及稳定性分析。机电工程学院商跃进欢迎学习计算机三维辅助设计结构强度分析结构强度分析是零件安全工作的保护神。7.1快速入门7.2应用实践7.3优化设计7.4多场协调7.2应用实践7.2.1弯扭组合阶梯轴强度校核7.2.2圆柱螺旋压缩弹簧设计7.2.3直齿圆柱齿轮强度设计7.2.4动车组车体碰撞分析学习目标进行齿轮弯曲强度分析：掌握模型简化方法，无穿透接触施加方法。进行齿轮接触强度分析：掌握接触压力等获取方法。进行过盈配合分析：掌握过盈量的设定方法，冷缩配合的使用方法。7.2.3直齿圆柱齿轮强度设计

1.弯曲强度分析：为了保证在预定寿命内不发生轮齿断裂失效，应进行齿根弯曲强度计算。2.接触强度分析：为了保证在预定寿命内齿轮不发生点蚀失效，应进行齿面接触强度计算。3.过盈配合分析：齿轮与轴的连接方式采用圆柱面过盈配合时要进行装配应力和传递扭矩的计算。1.啮合强度分析

为了保证在预定寿命内不发生轮齿断裂失效和点蚀失效，应进行齿根弯曲强度和接触强度计算。（1）齿轮啮合模型建立（2）齿轮啮合关系设定（3）齿轮边界条件施加（4）齿轮弯曲强度评定（5）齿轮接触强度评定（1）齿轮啮合模型建立

（2）齿轮啮合关系设定

（3）齿轮边界条件施加

（4）齿轮弯曲强度评定

（5）齿轮接触强度评定

误差为6.9％。3.过盈配合分析

齿轮与轴的连接方式采用圆柱面过盈配合时要进行装配应力和传递扭矩的计算。（1）过盈配合建模（2）装配关系设定（3）过盈配合分析（1）过盈配合建模过盈配合φ60H7/r6，过盈量=0.00516~0.04696mm（2）装配关系设定（3）过盈配合分析观察径向应力观察接触压力小结介绍了齿轮啮合分析方法介绍了无穿透接触使用方法介绍了冷缩配合使用方法作业上机练习齿轮啮合强度分析和轮轴过硬配合强度分析。机电工程学院商跃进欢迎学习计算机三维辅助设计结构强度分析结构强度分析是零件安全工作的保护神。7.1快速入门7.2应用实践7.3优化设计7.4多场协调7.2应用实践7.2.1弯扭组合阶梯轴强度校核7.2.2圆柱螺旋压缩弹簧设计7.2.3直齿圆柱齿轮强度设计7.2.4动车组车体碰撞分析学习目标进行车体碰撞分析：掌握跌落分析的步骤和应用方法。7.2.4动车组车体碰撞分析

以100m/s（相当于360km/h）的速度沿轴向运动的铝圆柱杆，碰撞固定边界，模拟动车组车体碰撞刚性墙。计算杆件的反应的时间函数，并求出杆件最小长度。杆件采用铝合金制作，满足具有硬化同向性的vonMises塑性模型。1.