CAE在傳動軸分析設(shè)計中的運用

錢震波 向浦江

摘 要：CAE是現(xiàn)今機(jī)械設(shè)計相關(guān)研究的重要手段，特別是在受力分析，機(jī)構(gòu)計算方面有著突出的作用。在汽車款式性能不斷優(yōu)化的今天，汽車傳動軸也不斷地更新?lián)Q代，其功能性能也不斷提升。實踐表明，CAE的應(yīng)用有助于更快更直觀地對傳動軸的受力與性能進(jìn)行研究。比如，傳動軸的動平衡特性，也從之前僅僅在動平衡機(jī)上觀察其平衡效果，慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^仿真來預(yù)測其旋轉(zhuǎn)特性。

關(guān)鍵詞：傳動軸；仿真

1 CAE應(yīng)用簡述

CAE（計算機(jī)輔助工程）分析是采用特定的軟件對特定零件、結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬分析的方法，可通過人為施加虛擬的力、場等外界激勵，來觀察相對應(yīng)的輸出結(jié)果?，F(xiàn)主要運用于產(chǎn)品的設(shè)計，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，工程問題的解決等實際情況中，是工程領(lǐng)域重要的實用工具。

2 虎克傳動軸分析設(shè)計的現(xiàn)狀

虎克傳動軸已經(jīng)有多年的生產(chǎn)歷史。近幾年來逐步采用CAD技術(shù)，設(shè)計的時間比原來縮短了。一個新產(chǎn)品在初始階段規(guī)格參數(shù)總是針對某一個固定用戶的，如果其他用戶需要采用同樣規(guī)格的傳動軸而傳動軸的參數(shù)不一樣的時候，就很難回答傳動軸是否適用，這就必須重做試驗。

CAD軟件的出現(xiàn)使產(chǎn)品設(shè)計更加快捷和簡便，CAE出現(xiàn)則解決產(chǎn)品的性能問題。要了解傳動軸的功能用CAD的三維軟件能基本解決問題，如要了解傳動軸的性能要求，用現(xiàn)有的方法只能做大量的試驗，要達(dá)到多快好省的目的，發(fā)展CAE應(yīng)該是最好的方法。

因此，我們就要在產(chǎn)品設(shè)計的初期階段了解傳動軸的內(nèi)在性能，如果在傳動軸設(shè)計完成后對其性能指標(biāo)有一個比較正確的估計，這樣就能避免由于試驗沒有達(dá)到要求而出現(xiàn)的反復(fù)。傳動軸的性能分為靜態(tài)指標(biāo)和動態(tài)指標(biāo)，靜態(tài)指標(biāo)包括強(qiáng)度和功能要求，動態(tài)指標(biāo)包括動平衡、壽命和磨損等。

從CAE分析的難易來看，靜態(tài)指標(biāo)一般容易分析，動態(tài)指標(biāo)比較復(fù)雜，需要通過大量的試驗才能掌握。從傳動軸的設(shè)計程序考慮，CAE手段的開發(fā)應(yīng)從以下幾個步驟考慮：

傳動軸總成的應(yīng)力分析：主要的目的是確定傳動軸在靜態(tài)載荷下應(yīng)力的分布情況，來確定傳動軸的薄弱環(huán)節(jié)，以便設(shè)計時的及時更正。

十字萬向節(jié)的設(shè)計：十字萬向節(jié)是虎克傳動軸最關(guān)鍵的零件，有必要建立十字萬向節(jié)滾針軸承的分析和優(yōu)化CAE系統(tǒng)，分析萬向節(jié)的公差、滾針的形狀、熱處理和工作的環(huán)境溫度對軸承壽命的影響，從而為制定公差、熱處理參數(shù)、滾針的形狀要求設(shè)計提供依據(jù)。

傳動軸總成的壽命分析：材料疲勞強(qiáng)度的理論有很多種，通過建立傳動軸整體疲勞的強(qiáng)度分析CAE系統(tǒng)來確定在各種疲勞理論條件下傳動軸抗疲勞設(shè)計方法。

其他分析：傳動軸的動平衡分析、沖擊分析、花鍵的磨損分析、傳動軸的模擬裝配等。

對于CV傳動軸的設(shè)計由于傳動軸的受力情況比較復(fù)雜，可以先從應(yīng)力分析著手，在虎克傳動軸的CAE分析積累了一定經(jīng)驗后再進(jìn)行更深入的研究。

3 CAE分析能力的形成

①根據(jù)要分析的問題選擇合適的CAE分析軟件；

②CAE和CAD數(shù)據(jù)對接，兩者數(shù)據(jù)可相互“引用”；

③按產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)種類進(jìn)行歸納整理；

④建立數(shù)據(jù)庫；

⑤培養(yǎng)一定數(shù)量的CAE分析人員；

⑥將常規(guī)的CAE分析項目納入產(chǎn)品研發(fā)程序，將CAE分析報告作為鑒定新產(chǎn)品的依據(jù)。

4 CAE分析時應(yīng)注意的問題

①將實際工程問題比較真實地轉(zhuǎn)化為力學(xué)問題。

②選定分析對象，確定其在實際工作狀態(tài)下的工況與受力情況，明確邊界條件、剛度以及質(zhì)量等參數(shù)。

③在CAE建模前需要完成對整個零件或結(jié)構(gòu)的具體的受力分析，可作出受力分析簡圖作為建模的基礎(chǔ)。

④在解決實際工程問題時要區(qū)分靜強(qiáng)度破壞、疲勞破壞等。因為結(jié)構(gòu)破壞的原因不同，解決問題的方法也不同。

⑤在一般情況下，所建的有限元模型需要有唯一且明確的用途。需要根據(jù)制定的分析目標(biāo)來建立相應(yīng)的模型，而不宜提供分析目標(biāo)以外的信息，建議在提出分析目的時要一次性說明。

⑥不應(yīng)認(rèn)為通過CAE分析計算后的初步結(jié)果即為實際的正確結(jié)果。應(yīng)認(rèn)識的虛擬的計算與實際情況存在一定的差異，有時會對計算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。因此需要通過實際的試驗設(shè)計回過頭來驗證模型的正確性及計算結(jié)果的合理性。

⑦需要補(bǔ)充說明的是試驗驗證也存在誤差，只能說試驗驗證得到的結(jié)果不能與CAE計算分析的結(jié)果存在顯著的差異。

⑧CAE的分析結(jié)果僅作為參考，一般CAE軟件可計算提供多種優(yōu)化的方案供用戶選擇，但不會使用此計算結(jié)果作出對具體問題的評判。

5 CAE分析簡介

5.1 模型準(zhǔn)備及處理

CAE軟件在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，通常會遇到的一些問題有：

①導(dǎo)入曲面數(shù)據(jù)時存在縫隙、重疊、錯位等。

②邊界錯位引起網(wǎng)格扭曲。

③模型中包含某些微小的特征，如曲面和邊的倒圓、小孔，而進(jìn)行分析時如果要準(zhǔn)確模擬這些特征，需要用到很多小的單元，導(dǎo)致求解時間過長。

④由于軟件接口間的問題，在進(jìn)行模型的倒入時，導(dǎo)入后的模型有可能會產(chǎn)生一些無法預(yù)知的缺陷。

因此在進(jìn)行劃分網(wǎng)格前，需要對現(xiàn)有的模型進(jìn)行優(yōu)化，以提高計算的精度以及計算耗費的時間。

而在網(wǎng)格劃分時，從理論角度來說，如果是分析實體的話采用六面體劃分網(wǎng)格最為理想，但實際操作起來難度較大，因此在精度允許的情況下通常采用四面體來進(jìn)行網(wǎng)格劃分。（如果研究對象為面的話則采用六邊形或四邊形。）

5.2 實例的分析來簡要說明

根據(jù)客戶的要求，需要提供適用于NVH分析的縱向傳動軸和半軸有限元模型。

傳動軸網(wǎng)格劃分如下，包括材料，約束，各零部件之間的裝配關(guān)系（主要是焊接關(guān) 三腳突緣的約束： 三腳突緣和

系的模擬） 軸管的連接：

5.3 軸承碗油封和十字軸軸頸的配合說明