多载荷作用下的阶梯轴分析.docx

实验项目（课题）教学实施方案第次课第周星期第 节授课日期 年 月 日实验项目（课题名称）：多载荷作用下的阶梯轴分析计划学时2实验类别：1.演示型 2•验证型丿 3•综合型 4•设计性 5•其它实验目的：通过本次实验掌握静力分析的基本方法和技巧实验要求：材料为40Cr的阶梯轴尺寸，采用两个约束的简支梁结构支撑，根据材料力学 知识可以得出两键槽中间部分受弯扭组合变形，轴承支承左端只受弯曲，大键槽受径向力2KN, 小键槽受径向力3KN，作用在两端的转矩为2KN.M其中轴的大截面D=40mm、d=35mm，求 解出应力和位移的分布云图，材料参数：弹性模量E=210Gpa,泊松比0.3实验设施：计算机、Ansys软件知识点：静力分析实验内容一、建立分析模型1、 建立分析项目进入 ansys 的主界面（Mechanical APDL）（1） 工作名更改GUI: File>Change Jobname，弹出 Change Jobname 对话框，在文本框中输入 axis，应用 Log 文件和错误文件，选中下面的复选框，完成后单击Ok按钮2） 更改工作标题GUI： File>Change Title，弹出Change Title对话框，在框中输入axis，完成后单击Ok按钮。

2、 导入几何模型GUI: Utility menu>import>iges,选中连杆模型 axis.igs 导入3、 设置单元选择单兀，GUI： Main Menu>preprocessor>elment type>add/edit/delete>add，选择 structural mass>solid>brick 20 node 186,确定单击 apply>mass>3d mass21,单击 ok 关闭对话框 命令ET, 1, Solid186 !定义单元ET, 2， mass21 !添加质量单元4、 定义质点质量GUI： Main Menu>preprocessor>real constants>add/edit/delete，在实常数对话框中单击 add 按 钮，选mass21,单击ok按钮在实常数设置对话框中设置MassX为1e2,单击ok按钮， 再单击Close按钮5、 创建材料模型创建材料模型，输入必要参数，弹性模量EX,泊松比PRXY和质量密度DENSGUI： Main Menu>preprocessor>material prop>material model>structure>linea>elastic>lsotropic 输入弹性模量EX,泊松比PRXY如图命令：MP,EX,1,2.1e8MP,PRXY1,0.3 !定义材料6、通过工作平面切割体，切出40mm宽的体模拟轴承的约束。

分别在x正方向移动160 和120工作面，切出40mm宽的体模轴承的约束> GUI： workplane>offset wp to>xyz location，在输入框中输入 160,0,0,单击 ok 结束 GUI: MainMenu>modeling>operate>boolean>divide>volu by wrkplan>同样，按照此法操作切出x=120, y=0, z=0处的体，效果如图切体的工作面为xy 面, 工作面的旋转可以通过workplane>offset wp by increments进行调整，本题需要xz面旋转 90度才能用xy进行截面）GUI: workplane>offset wp by increments,在 x,y,z offsets 输入 0,0,174,然后用 GUI: MainMenu>modeling>operate>boolean>divide>volu by wrkplan 切出 体积命令：wpoffs, 0,0,174 !工作平面z方向偏移174.VSBW,1由工作平面切出体，1代表要切的体的代号5、划分网格（1）略方法划分中间切出的轴承接触部分的网格GUI： Main Menu>preprocessor>Meshing>meshtool，弹出 Meshtool 对话框，单击 Global 后 的set所示的对话框，设置如图所示。

命令ESIZE,5 !设置网格尺寸为5选取扫略方法划分六面体网格（2）自动划分剩余部分的网格GUI： Main Menu>preprocessor>Meshing>meshtool，选中 smart size（自动划分尺寸），调整 下方滑块到4,单击mesh，选择三部分体积进行划分6、建立刚性区域>创建加载节点GUI： Main Menu>preprocessor>modeling>create>node>in active cs,输入 Node，Number=70000,x=0,y=0,z=0,单击 ok 按钮>改变默认单元属性GUI： Main Menu>preprocessor>modeling>create>element>elem attributes,选择 element type number 为 2Mass21,real constants set number 为 1, 单击 ok 按钮>创建质点单元GUI： Main Menu>preprocessor>modeling>create>element>auto numbered>Thru node,在左狈9 拾取对话框输入70000，单击ok按钮。

>过滤节点GUI： utility Menu: select>entities，分别设置为 Node>by location>xconrdinates>min,max 输入 “0,0”，单击ok，选中“x=0”的所有节点（端面节点）>生成刚性区GUI: Main Menu>preprocessor>couping/ceqn>rigid region,在左侧的拾取对话框输入 70000， 单击apply按钮，再单击pick all按钮，弹出选择耦合求解选项，选择rotations r xyz，单击 ok按钮，端面上节点与质量节点完成耦合二、模型求解（1）模拟轴承施加约束GUI： Main Menu>preprocessor>load>define load>apply>structural>displacement>on areas,选 择Y、Z两个方向的位移约束，单击ok结束约束，分别选取两次对应添加UX,UY约束， 单击ok完成2）在靠近小键槽的端面添加固定约束GUI： Main Menu>preprocessor>load>define load>apply>structural>displacement>on areas,在图形中选择小键槽一侧端面，在施加约束的对话框中选择ALL DOF,单击ok确定。

3) 施加大键槽径向载荷添加载荷选取面再在面中选中所有点过滤节点GUI： utility Menu: select>entities,选取 areas>by num/pic>from full,单击 ok 点选到欲加载荷 的面，select>entities>nodes>attached to>areas,all>from full,设置点完成通过主菜单 plot>nodes或areas查看是否选对，选取面上的点效果如图GUI： Main Menu>preprocessor>load>define load>apply>structural>force/moment>on nodes>pick all，单击ok加载，在FY方向加载2e6命令 Q,all,FY,2e6(4) 同样的方法施加小键槽径向载荷在FY方向加载3e65) 施加扭矩GUI： Main Menu>preprocessor>load>define load>apply>structural>force/moment>on nodes， 在左侧拾取对话框的输入区中填写70000，单击ok按钮，在加力/力矩对话框中选择MX, 设置value=2e6，单击ok按钮结束，其中转矩的方向是轴向的。

6) 计算当前模型GUI: Main Menu>solution>solve>current LS,计算完成后会弹出提示信息框结果后处理显示等效应力云图GUI: Main Menu>General PostProc>plot results>contour plot>nodal solu,弹出 contour nodal solution date 对话框，选择 stress>von miss stress, 单击 ok 按钮NODAL 3OLHTIQN12 20"22:05:073TEP=1 3UB =1 TIME=13EQV l：AVG}CKX =11.1236=^^s.s-ag3XX =.7a5E+a7„157E+07 .aiSE+U? -47CE+Q7.215E+&7 . J51E+Q7 ..545H+D 7小结：阶梯轴是机械传动中常见的部件，受力比较复杂，一般受到弯矩组合变形， 对于装配有齿轮的阶梯轴还受拉力作用，传统的材料力学精确计算分析很困难，对应阶梯 轴上的键槽，轴肩等辅助定位和安装的结构都无法考虑，采用ansys有限元分析很有现实 意义，处理本问题的关键在于加载扭矩，解决办法是从大键槽端面中心创建节点，定义 mass21单元，并与端面一起形成刚性区，然后将扭矩加到这个节点上，这个方法适合于小 变形。

作业：完成相应的实验报告。