阶梯轴的有限元分析及其优化 - 图文(2)

第1章 绪论

1.1 本文研究的目的和意义

1.1.1 本文研究的目的

轴系零件是机械产品中的通用零件，应用非常广泛。轴系零部件的设计效率直接影响了机械产品的设计效率。轴是组成机械结构的重要零件之一。它是轴系零件中的主要零件, 也是支撑轴上零件、传递运动和动力的关键部件。机器的工作能力和工作质量在很大程度上都与轴有关, 轴一旦失效, 有可能造成严重后果。轴的设计不同于一般零部件的设计。它包含两个主要内容: 强度设计和结构设计。为了保证其足够的工作能力, 必须对轴进行强度计算, 必要时还要做刚度计算、振动稳定性计算等。为了保证安装在轴上的零件能正确地定位和固定, 满足轴的加工和装配的要求, 必须合理地定出轴各部分形状和结构尺寸, 也即进行结构设计。实际设计中,强度计算和结构设计互相关联、互相影响, 需要不断地交互进行[1]。有限元技术的出现，为工程设计领域提供了一个强有力的计算工具，经过迄今约半个世纪的发展，它已日趋成熟实用，在近乎所有的工程设计领域发挥着越来越重要的作用。有限元技术的应用，使得几何形状复杂的零件，其强度和刚度等计算能够实现，且其精度满足工程实际需要；同时提高了机械零部件设计的可靠性，缩短了设计周期，大大推动了机械工业的发展。本课题的设计思想是通过面向对象的方法，实现自动计算阶梯轴精确强度及其优化分析的有限元软件的开发。

1.1.2 国内外的研究现状

有限元方法的发展，其基本思想的提出可以追溯到上世纪40年代初。1956年，美国波音

飞机制造公司M.J.Tuner和R.W.Clough等人[2]分析大型飞机结构时，第一次采用了直接刚度法，给出了用三角形单元求解平面应力问题的正确解答，从而开创了利用电子计算机求解复杂弹性平面问题的新局面。有限元或有限单元 (Finite Element)这一术语，是R.W.Clough

[3]

于1960年在一篇论文中首次提出的。随着计算机的飞速发展和广泛应用，有限单元法得到了巨大的发展，成为在计算数学、计算力学和工程科学领域的最有效的计算方法。它己成为科学研究和工程设计必不可少的数值分析工具。随之出现了很多通用和专用的有限元计算软件，著名的有ANSYS、ABAQUS、Ideas、Marc等，其中ANSYS的应用最为广泛。经过30多年的发展，它已经成为一个功能强大的，灵活的设计分析及优化的软件系统。

在机械工程中，小到螺栓、轴承等通用零件，大到机床、汽车、飞机等复杂结构的应力

和应变分析，采用有限元法计算均可以获得一个足够精确的近似解来满足工程实际上的要求。目前，国内外机床厂家已经在机床设计中广泛地应用有限元分析方法，并在机床基础件(如床身、立柱、框架等)和主轴部件等的静、动态特性分析计算中取得成就。在国外Velagala R.Reddy[4]等人利用有限元法对车床主轴建模，并以轴承间隙，轴承刚度以及工件直径大小为设计参数，对其进行静、动态分析。A.M.Sharan[5]对实际车床的主轴进行动态分析。K.W.Wang和C.H.Chen[6]对高速主轴一轴承系统的动力学特性进行了详细研究，指出在高速条件下滚动轴承的刚度随转速的升高而降低，导致主轴系统的固有频率随之下降。

在国内，西安交通大学张波、陈天宁[7]等在ANSYS环境中建立了机床主轴部件的有限元动力学模型，并对主轴部件进行了静、动态特性的计算和动态优化设计。他们在对某型数控车床进行空运转、切削及模态试验的基础上，确定了机床主轴部件动刚度薄弱是引起机床切削的结构颤振方面的原因。据此建立了简化的有限元动力学模型，在ANSYS中分析其前8阶的模态频率，确定动态优化设计的目标，然后设计和修改主轴的结构使之达到预期的动态特性。武汉理工大学陈龙、文湘隆[8]等人以ANSYS为基础对各类轴进行了分析与优化设计。他们先用ANSYS校核普通圆轴的强度、刚度和临界速度，并给出在满足要求情况下轴的优化设计方法。优化设计时，以轴的直径作为设计变量，应力、应变、临界转速作为状态变量，轴的总重作为目标函数，在ANSYS中进行参数定义，优化设计。

随着CAD/CAM/CAE技术的不断发展，有限元分析、优化设计方法等现代机床设计方法的发展与推广运用，将对我国机床制造业发展起着重要的促进作用。

1.1.3 本文的研究意义

在产品设计和开发过程中，零、部件的标准化、通用化和系列化是提高产品设计质量、缩短产品开发周期的有效途径。参数化设计方法作为一种灵活多变的CAD方法，采用参数化模型，通过调整参数来修改和控制几何形状，进行产品的造型。它将图形尺寸与一定的设计参数相关联，即将图形尺寸看成是设计参数的函数，当设计条件发生变化时，图形尺寸便会作相应的变化，是实现标准化、通用化和系列化的重要途径。

APDL是ANSYS参数化设计语言，提供一般程序语言的功能，如参数、标量、向量及矩阵运算、宏、分支、循环、重复以及访问ANSYS 有限元数据库等。利用APDL 语言编制宏文件，即可实现参数化建模分析，大大提高工作效率。另外，参数化建模也是进行产品优化设计的要求。因为在优化设计的迭代中需要不断地变更设计变量，故建模中有关设计变量数值应该以参数化的形式输入。

在此基础上，利用Visual C ++语言开发出用户操作界面，实现参数化分析，即使用户对ANSYS软件不熟悉，也可以轻松对结构相同、尺寸相异的机构进行分析。

1.2 本文研究的主要内容

本文在系统开发的过程中，主要将整个系统分成四个模块:用户界面模块、ANSYS计算模块、VISUAL C++调用接口模块和后处理模块，因此本文研究的主要内容就是这四个模块的实现。如图1.1为整个系统的一个框架图。

用户界面模块 接受输入 调用 VC调用接口模块 ANSYS计算模块 计算结束 用户界面模块 图1.1 系统框架图

用户界面模块用VISUAL C++编制输入参数对话框，同时起到一个向导的作用，使设计者在对话框的指引下输入需要的参数，按一定的顺序完成有限元分析和后处理。ANSYS计算模块由APDL语言编写，完全实现有限元建模、求解和后处理的参数化，并按照需要将不同的功能部分保存成不同的模块。

VISUAL C++调用模块在本系统中起着接受用户界面输入、创建进程调用ANSYS进行计算的重要作用。因此在VISUAL C++调用模块中主要有两方面的工作需要做:一是要使接口程序可以修改ANSYS命令流文件的保存路径和文件名称，二是要能够在接口程序中实现ANSYS以批处理方式运行。

最后一个模块为后处理模块，在这个模块中，有两种方案可以采用:一种是用APDL编写命令流将需要的结果保存成图片文件的形式，不用启动ANSYS，直接通过VISUAL C++调用显示这些图片:另一种方案是将不同工况计算结束后的结果模型保存成不同的数据文件，然后针对每一种工况的数据文件，用APDL编写一个调用宏文件，在ANSYS中加载这些宏文件形成一系列工

具条。要查看的时候，就用VISUAL C++将ANSYS启动(当然要出现ANSYS界面)，设计者可以根据自己的需要在ANSYS中查看相应的结果情况。

在以后的章节中，将分别对这几个模块功能的实现进行详细的介绍。首先在第4章介绍面向对象技术和VISUAL C++调用模块的实现；第5章介绍用户界面模块，并结合实例说明整个系统的运作流程;第7章结合实例介绍进行后处理的模块，并将理论计算的实例的计算结果与利用该系统计算得出的结果进行比较，证明该系统的可行性;第8章对本文所做的工作进行总结，并展望未来要做的工作。

课题所做的主要工作有下列几个方面:。 ①、在有限元软件ANSYS中实现阶梯轴的精确建模

课题研究了利用ANSYS软件自身的建模功能建立较精确的阶梯轴模型的方法，减少了资源浪费，软件投入，避免了在CAD软件(PRO/E, SOLIDWORK等)中建模后导入ANSYS时引起的数据流失。

②、阶梯轴受力情况的分析

课题着重探讨了以阶梯轴为实例，利用ANSYS现有的接触分析功能来实现机构的整体分析的方法。并且，在接触分析后期比较了不同的加载方式和实常数取值对分析结果产生的影响，最终确定了合理的加载方式和实常数取值，为下一步建立参数化分析命令流打好基础。

③、参数化

本课题在ANSYS软件传统的GUI操作方式的基础上，结合上一部分的建模、加载等方法，利用APDL语言对菜单操作的过程中的各项命令进行修改，形成了可直接调用的参数化命令流文件，为下一步的软件开发提供了最重要的帮助。

④、软件开发

用Visual C++语言编制相应的软件，集成ANSYS有限元分析的全部功能。以此为平台，根据用户输入的参数，自动写入ANSYS命令流文件，实现参数在软件中自动传递，计算完成后可方便调用仿真动画和应力云图。

1.3 阶梯轴结构参数化有限元分析系统的方法

1.3.1系统要实现的目标

首先，从易用性方面考虑，该系统应具有良好的用户界面。系统的前台设计要采用Windows提供的标准图形用户界面，用户不需要接受专门训练就可以使用;

第二，在功能上，允许用户输入计算所需要的各种参数，可以进行工况选择，用户通过

界面调用后台的程序进行计算后，能够得到最后的计算结果文件，供用户进行后处理和结果分析;

第三，从通用性考虑，要在各种计算机系统中都可以使用，且程序代码具有开放性和可重用性，这样，在进一步的设计中，可以允许设计者对代码进行修改和扩充，满足不同的需要。

基于上述三种考虑，选用VISUAL C++和ANSYS作为系统的开发工具。

前面己经介绍过ANSYS是目前最通用的有限元分析软件，其强大的功能完全可以满足本系统分析计算的需要。并且它提供的二次开发语言APDL(ANSYS Parametric Design Language)可以将ANSYS封装起来。参数化设计语言APDL是一种高效的参数化建模手段，使用APDL语言进行封装以后的ANSYS系统，可以只要求操作人员输入前处理参数，然后自动运行ANSYS进行计算求解。

但完全使用APDL编写的宏还存在弱点，比如用APDL语言较难控制程序的进程，虽然它提供了循环语句和条件判断语句，但总的来说还是难以用来编写结构清晰的程序，虽然它提供了参数的界面输入，但功能还不是太强，交互性不够流畅，而VISUAL C++可以弥补这种缺陷。目前也有很多人在尝试用VISUAL C++与ANSYS结合起来开发通用的有限元分析系统，因此本文采用ANSYS的参数化设计语言APDL与VISUAL C++结合起来进行开发:用VISUAL C++开发前台界面，后台用APDL语言编写有限元分析程序，并将两者嵌套起来，通过VISUAL C++创建进程，调用ANSYS以批处理方式后台运行APDL编写的宏命令文件，来实现前处理有限元建模和求解分析的过程。

1.3.2 ANSYS二次开发技术

由于使用ANSYS解决的问题是具有复杂的科学和工程背景的难题，而且ANSYS又是一个知

识和智慧密集的复杂高科技产品，它对用户的力学、有限元理论和数学的等知识有较高的要求，所以对ANSYS进行二次开发是很有意义的。前面介绍过，ANSYS提供的二次开发接口和语言主要由参数化设计语言APDL，用户界面设计与语言UIDL(User Interface Design Language)，用户程序特性UPFs(User Program Features)和ANSYS数据接口四部分组成。本文在系统开发中使用了ANSYS的参数化设计语言APDL，这里就对ANSYS的二次开发工具做一个简单的介绍。

1.3.2.1 参数化技术和参数化设计语言APDL

随着现代化工业的高速发展，产品的功能、结构的日趋复杂，新产品更新换代周期的不断缩短，设计在产品的整个生命周期中占据了越来越重要的地位。因此随着CAD/CAE软件的进

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