基于Pro_MECHANICA的某傳動軸的優(yōu)化設計

任昭

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院，陜西 西安 710300）

軸類零件在機械行業(yè)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(tǒng)的軸類零件載荷一般通過機械設計手冊等行業(yè)規(guī)范來計算，過程復雜，耗費時間。隨著CAD/CAM技術的發(fā)展，出現(xiàn)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(jié)約時間、成本、物力、財力，在不少企業(yè)中，傳統(tǒng)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(xiàn)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(tài)分析及優(yōu)化設計。

1 三維建模

根據(jù)某二級減速器的參數(shù)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(shù)

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，F(xiàn)r2=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(tài)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(wǎng)格

在劃分網(wǎng)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(huán)境下不斷嘗試相關參數(shù)大小，為將網(wǎng)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(tài)分析

圖3 有限元靜態(tài)分析結果

3 優(yōu)化設計

出于節(jié)約材料的考慮，優(yōu)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(yōu)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(yōu)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(tài)分析結果的基礎上對受力較大的軸段進行軸徑優(yōu)化分析，并得到滿足條件的最優(yōu)軸徑，對比傳統(tǒng)的機械設計流程，提高了機械設計效率，節(jié)約了生產成本。