基于Pro_MECHANICA的某傳動軸的優化設計

任昭

（陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300）

軸類零件在機械行業中用途廣泛，主要起著支撐零部件、承受載荷、傳遞扭矩的作用。軸的種類和結構多種多樣，承受的載荷不同，其所受應力也不一樣。軸類零件的載荷計算是設計階段的主要設計內容，傳統的軸類零件載荷一般通過機械設計手冊等行業規范來計算，過程復雜，耗費時間。隨著CAD/CAM技術的發展，出現了各種機械輔助設計軟件如PROE、UG、ANSYS等，由于這些軟件的功能包括三維建模、工程分析、模擬仿真、輔助制造等，采用計算機輔助設計軟件可以節約時間、成本、物力、財力，在不少企業中，傳統的人工設計計算方法逐漸被計算機軟件所代替。在眾多機械設計輔助軟件中，Pro/Engineer5．0軟件集CAD/CAM/CAE一體化，實現建模、分析、仿真的無縫銜接，本文利用Pro/E中的有限元分析模塊對某二級減速器的傳動軸進行有限元靜態分析及優化設計。

1 三維建模

根據某二級減速器的參數擬定輸入軸的各段軸徑和長度，如圖1和表1。

圖1 傳動軸結構布置

表1 傳動軸各軸段參數

其中，I-II段與VI-VIII段安裝軸承，相當于固定支撐，III-IV段與V-VI段需要安裝齒輪1和齒輪2，同軸度要求為0．01mm，承受徑向力Fr和圓周力Ft，經計算得Fr1=603N，Fr2=1418N。由Ft產生的扭矩T=394 N·m。由此在Pro/E5．0中進行1：1比例建模，如圖2。

圖2 傳動軸的三維模型

2 有限元靜態分析

2.1 設定材料及屬性

從Pro/E5．0軟件中直接可進入Mechanical有限元分析模塊，由于傳動軸的材料是45鋼，故選擇steel，將密度設為7．81g/cm3，應力應變響應為線性，泊松比為0．27，楊氏模量為210GPa，失效準則設定為von Mises，最后將拉伸屈服應力設為355MPa，許用應力為237MPa。

2.2 添加載荷與約束

首先對整個軸施加重力載荷，即Y方向加速度設置為9．18m/s2。然后將I-II段與VI-VIII段自由度設置為0，使其固定，在III-IV段和V-VI段施加沿重力方向的Fr1和Fr2，繞軸線的扭矩T。

2.3 劃分網格

在劃分網格模塊中，默認的自動劃分方法劃分出來的四面體比較大，經在AutoGEM環境下不斷嘗試相關參數大小，為將網格的元素類型選為三角形、四面體，將三維模型中的最大邊和最大角設為150，最大長寬比設為10，最大邊翻轉度設為30。

2.4 靜態分析

圖3 有限元靜態分析結果

3 優化設計

出于節約材料的考慮，優化目標為該傳動軸的質量最小，限制條件為軸的整體位移小于等于0．01mm，可變尺寸為齒輪2所在的軸段直徑，其軸徑是40mm，可變范圍是30～50mm。經迭代優化分析，當軸徑為46．65mm時，可以使軸的最大位移為0．01mm，其結果如圖4。

圖4 優化后的軸最大位移

4 結語

本文通過用Pro/E中的Mechanical模塊對某傳動軸進行強度、剛度校核，在有限元靜態分析結果的基礎上對受力較大的軸段進行軸徑優化分析，并得到滿足條件的最優軸徑，對比傳統的機械設計流程，提高了機械設計效率，節約了生產成本。