阶梯轴ANSYS静态分析与模态分析.docx

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阶梯轴ANSYS静态分析与模态分析

阶梯轴

ANSYS静态分析与模态分析

阶梯轴结构如下:

F面来做轴的静态分析:

1定义工作文件名和工作标题（过程略）

2显示工作平面（过程略）

3利用矩形面素生成面

1）生成矩形面：

MainMenu>Preprocessor>Create>Rectangle>ByDimensions，在对话框的“X-coordinates”和“丫-coordinates”后面输入栏中分别输入下列数据：

X1=0,X2=260,Y1=0，Y2=70,单击“Aplay”X仁260,X2=380,丫仁0,Y2=75,单击“Aplay”；XI=380,X2=420,丫仁0,丫2=100,单击

“Aplay”；X仁420,X2=660,丫仁0,丫2=80,单击

“Aplay”；X仁660,X2=800,丫仁0,丫2=75，单击“ok”；生成的结果如图

AREAS

TYPENOH

AIMSYS

APR162014

20:

49:

46

两WX

3110104687张旭

2）矩形面相加操作：

MainMenu>Preprocessor>Operate>Add>Area§出现一个拾取框，单击“PickAll”，则完成相加操作，生成的结果如图

311010^667张旭

4由面绕轴线生成体

1）面绕轴线操作：

MainMenu>Preprocessor>Operate>Extrude>AboutAxis,出现一个拾取框，单击“PickAll”又出现第二个拾取轴心线两端点的拾取框，用鼠标在图形上分别拾取编号为“1、18”的关键点，然后单击“OK,

又弹出一个对话框单击“OK.

3110104667张旭

2）保存到文件中：

MainMenu>File>SaveAs,弹出一个对话框，在“SaveDatabaseto”下面的输入栏中输入用户自定义的文件名“shaft.DB”,单击“0K.

5生成A-A键槽

1）移动工作平面：

在“OffsetWPbyIncrements”中的“X，Y，ZOffset”

下面的输入栏中输入“85,0,40”（A-A键槽左侧圆弧中心），并按“Enter”键确认。

2）生成一个圆

MainMenu>Preprocessor>Create>Cylinder>SolidCylinder,弹出一

个对话框，在其输入栏中分别输入“Radius=25,Deoth=50”，单击“OK。

3）生成一个块：

MainMenu>Preprocessor>Create>Block>ByDimensions，弹出一个话框，在其输入栏中输入的数据如图所示，单击O&

3110104€87张旭

4）移动工作平面：

在“OfsetWP”中的“X,Y,ZOffset”下面的输入栏中输入“130,0,0”，并按“Enter”键确认。

5）生成第二个圆柱体：

MainMenu>Preprocessor>Create>Cylinder>SolidCylinder，弹出一个对话框，在其输入栏中分别输入“Radius=25,Deoth=50”，单击“OK。

生成的实体如图所示。

3110104^7张旭

6）进行减操作：

MainMenu>Preprocessor>Operate>Substract>Vumes，弹出第一个拾取框，用鼠标在图形屏幕上拾取编号为“V1,V2”的体素，单击“OK”，又弹出第二个拾取框，这时用鼠标在图形分别拾取编号为“V5，V6，V7”的体素，单击“OK”

7）体相加操作：

MainMenu>Preprocessor>Operate>Add>\Olumes，弹出一个拾取框，单击“PickAll”

6生成B-B键槽

1）移动工作平面到关键点上：

UtilityMenu>Workplane>OffsetWPto>Krypoints,出现一个拾取框，用鼠标在图形屏幕上拾取编号为“17”的关键点（轴肩根部表面点），单击“OK”o

2）移动工作平面：

在“OffsetWP”中的“X,丫,ZOffset”下面的输入栏中输入“65,0,-30”，并按“Enter”键确认。

3）生成一个圆柱体：

MainMenu>Preprocessor>Create>Cylinder>SolidCylinder,弹出一个对话框，在其输入栏中分别输入“Radius=25,Deoth=50”，单击“OK”。

4）生成一个块：

MainMenu>Preprocessor>Create>Block>ByDimensions弹出一个对话框，在其输入栏中输入的数据如图所示。

5）移动工作平面：

在“OffsetWP”中的“X，丫，ZOffset”下面的输入栏中输入“130，0，0”并按“Enter”键确认。

6）生成二个圆柱体：

MainMenu>Preprocessor>Create>Cylinder>SolidCylinde，弹出对话框，在其输入栏中分别输入“Radius=25,Deoth=50”，单击“OK”。

生成的实体如图所示。

VOLUMES

TYPEWM

3110101687zhangxu

7）进行减操作：

MainMenu>Preprocessor>Operate>Substract>Volumes，弹出第一个拾取框，用鼠标在图形屏幕上拾取编号为“V1,”的体素，单击“0K,又弹出第二个拾取框，这时用鼠标在图形分别拾取编号为“V2,V3,V4”的体素，单击“0K。

31101016B7Ehangxu

8）保存数据结果：

MainMenu>File>SaveAs,弹出一个对话框，在

“SaveDatabaseto下面的输入栏中输入用户自定义的文件名“Shaftl.DB”，单击“0K”。

9）闭工作平面显示：

UtilityMenu>Workplane>DisplayWorkingPlane。

7生成有限元模型

1）选择单元类型：

MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete,

弹出一个如图所示的对话框，单击“Add”又弹出一个对话框，在选择框中分别选择“StructuralSolid”和“Tel10node92,单击“OK”又单击图3-17上的“Close”。

则完成单元类型的选择.

2）设置材料属性：

执行MainMenu>Preprocessor>MeterialProps>MeterialModels命令，选择Structural'liner\elastic\isotropic,在EX和PRXY中输入2e11和0.3。

再选择Desity，输入7800.

3）设定单元的尺寸大小：

MainMenu>Preprocessor>SizeCntrls>-Global-Size，弹出一个

如图所示的对话框，在"Elementedgelength"后面的输入栏中输入"10”，单击"OK”。

r

八GlobalElementSizes

|[ESIZE]Globalelementsizesanddivisions（appliesonlyto"unsized'Fme}

SIZEElementedgelength

NDIVNo.ofelementdivisions-

・（usedonlyifdemeritedgelength.SIZErisblankorzero）

5）保存有限元模型数据到文件：

MainMenu>File>SaveAs,弹出一个对话框，在"Save

Databaseto”下面的输入栏中输入用户自定义的文件名“ShafM.DB”，单击“0K”

8施加载荷约束及求解

我们认为

而阶梯

阶梯轴所承受的应力一般由两个部分组成：

弯矩和扭矩。

通常情况下,阶梯轴为传动轴，所以我们在实际分析中只考虑阶梯轴承受扭矩的问题。

轴的扭矩按实际情况一般分布在键槽的一个侧面，而且往往是成对出现的，所以

我们五阶阶梯轴进行载荷加载时，主要考虑加载在键槽一侧的均布应力的情况且成对出现。

1）选取菜单MainMenu|Preprocessor|Loads|DefineLoads|Apply|Structural|Displacement|Onnodes将会弹出拾取对话框，选择键轴最两边点，单击对话框中的“0K”按钮，选择ALLDOF。

完成施加约束操作。

2）选取MainMenu|Solution|DefineLoads|Apply|Structural|Pressure|OnAreas将会弹出拾取对话框，选择两个键槽相反的侧面，单击“OK”按钮，弹出另一对话框，在LoadPRESvalue项输入“50”单击“OK”完成施加载荷操作。

3）选取菜单路径MainMenu|Solution|Solve|CurrentLS弹SolveCurrentLoadStep对话框，单击“OK”开始求解，求解结束后，关闭相应对话框。

4）选取菜单路径MainMenu|GeneralPostproc|PlotResults|ContourPlot|NodalSolu

将弹出ContourNodalSolutionData对话框，选择

ANSYS

APRIB2014

23:

39:

47

NodalSolution|DOFSolution|Displacementvectorsum将得到如位移图。

NOD2LLSOLUTION

STEP=1

SUB=1

TIME“

USUM（AVGJRSYSMJ

DMX=„117E-06

SMX=„117E-06

可以看出轴在传动过程中由于两个键槽传递相反方向的力矩，键槽凸向了相反方向。

5）选取菜单路径MainMenu|GeneralPostproc|PlotResults|ContourPlot|NodalSolu将弹出ContourNodalSolutionData对话框，选择NodalSolution|Stress|vonMisesStres将得到如下应力图

NODALSOLUTION

SIEP-l

SUB=1

TIME=1

SE0

DHX=.117E-06

SHU>.3«S89

ANSYS

APRIB20X423:

41:

15

SMX-iaa.399

.3653942.151S3.936125.7211€?

.507

21,258的*g弓10^.8291^6.6141B8.399

3110104687zhaugxu

从图中可以看出，键槽的底部的应力最大

6）选取菜单路径MainMenu|GeneralPostproc|PlotResults|ContourPlot|NodalSolu将弹出ContourNodalSolutionData对话框，选择NodalSolution|ElasticStrain|vonMisesElasticStrain将得到弹性形变图

3110104687zhamgxu

模态分析

调出保存的Shaftl.BD文件

1指定分析类型和分析选项

1）选择菜单MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnlysis，出现对话框.

2）选择Modal项单击OK.

CHarmonic

Trarsient

CSpectrum

「EigenBuckling

CSubstructuring/CMS

臣Yes

硬Ves

CPCGLane丄X

CReduced

CUnsymmetric

广Damped

CQRDamped

CSupernode

Nc,ofmodestoextract

（mustbespetrifi已日forallmet+iodsexceptth已Reducedmethod）

[MXPAND]

Expandmodtshapes

NMODENo.cfmodejtoexpjnd

FlcalcCalculateelemfesuits?

[LUMPM]Uselumpedmassapprox?

[PSTRES]Inclprestresseffects?

Cancel

Method

[MODOPT]OptionsforBlockLanczosModalAnalysis

FREQBStartFreq（initialshift）

FREQEEndFrequency

NrmkeyNormalizemodeshapes

OK

Cancel

4）施加约束条件，选择两个圆端面

AApplyUROTonArea

[DA]ApplyDisplacements（U.ROT）onAreasLab2DOFstobeconstrained

AllDOF

Applyas

IfConstantvaluethen:

VALUEDisplacementvalue

Constantvalue

2）

3）

4）

2将模态扩展并求解

1）选择菜单MainMenu>Solution>LoadStepOpts>ExpansionPass>SingleExpand>ExpandModes弹出对话框在No.ofmodestoexpand中输入5

选择菜单MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS,开始求解

求解完成，关闭窗口

3进行结果后处理

1）选择菜单MainMenu>GeneralPostproc>ResultSummary观察弹出的信息然后关闭

USTCom

File

*****INDEXOFDATASETSONRESULTSFILE*****

SET

TIME/FREQ

LOADSTEP

SUBSTEP

CUMULATIUE

1

1-5958

1

1

1

2

2.1052

1

2

2

3

2・1924

1

3

3

4

2.9446

1

4

4

5

3-6875

i

5

5

2）选择菜单MainMenu>GeneralPostproc>ReadResults>FirstSet

3）执行MainMenu>GeneralPostproc>PlotResult>ContourPlot>NodalSolu,在弹出的对话框中，分别选择“DOFSolution”下面的“Displacementvectersum，“Stress'下面的“vonMisesstress和“ElasticStrain'下面的“vonMisesElasticStrain”,分别得到在第一阶频率下的相对位移图，相对应力图和相对应变图如下

STEP=1

SOB-1

FREQ=1,596EPELEQV（AVG）DMX-b735E-05SMK=.21BE-10SMK=.219E-G7

APR192014

21:

32:

27

.218E-10.4601-08+974E-0BJ46ET7.195E-07

.245E-G8.731E-0E..122E-D7.17CIE-fl7.219E-07

31i01046B7zhangxu

4）依次执行1）--3）得到各阶的相对位移图，相对应力图和相对应变图

二阶

3110104-687zhangxu

NOQALSOLUTION

SUB=2

FREQ-2.105

U5UH（AW}

R5YS-0

DMX=U91E-05

SMX=a491E-05

ANSYS

AfR192014

109E-Q5\218E-05,3271-05*436E-05

.545E-06.164E-05・273E-05-3S2E-G5«491E-05

5IEP=1

SOB.2

FREQ=2,105

SEGfV（AW5）

DMX-+491£-05

SMN=40-625

5MX=751®

APR192014

21:

33:

10

40*62517163390

5065

6^40

876.091

2553

4223

5903

7576

311010468?

ihAngxu

NODALSOLUTION

SIEP=1

SUBw2

FREQ=2.105

EPE1E

DMX-»491E'O5

5MN=.2fi8E-09

5MX=.360£-07

ANSYS

APR192014

21;33:

37

fe268E-09.865E-0S.170E-D7*254E-07*338E-07

.446E-06・12SE-07.212E-07.296E-D7

■3BQE-07

3110104687zhangxu

三阶

1

NODALSOLUTION

STEP=1SUB=3FREQ=2.192USUM（AVG）RSYS-0

DMX・.509E-05SMX=.509E-05

・566E-06

3110134687zhangxu

STEP-1

SUB=3

EREQ=2.152EPELEQV（AVGJDHX-.5D9E-05SMN--105E-09SMX=・314E-（n

APR192014

21:

40:

16

.105E-09

HK

.359E-08

.707E-0B

'Z40E-07r'.210E-07!

«279E-fl7

»105E-07.175E-07.245E-D7.314E-07

3110104687zhangxu

四阶

NODALSOLUTION

STEP=1

St®=4

FKEQ-2.94S

U50M（KVB}

R5YS-0

DHX=.441E-05

SMX=,44

ANSYS

APR192014

21;36;Z1

STEP-1

SUB=4

ERE2=2.945

SEQVIAVG}

DtK-.414E-05

SMN=34-287

SMX=5556

APR192014

21:

36:

4S

34.287'1261

€47.814

24Sfi

1B75

371S

3102

4329

4943

555G

3110104687ihangjcu

NODALSOLUTIONSTEP-1

SUB=4

niEQ=2.945

□MX>.444E-05

SMN=-17BE-09

SMK=.279E-07

ANSYS

APH19201421:

37:

05

.17EE-09

.l£€E-07

.24BE-07

+9应亠曲

.217E-07

-279E-07

311010^87zhangxu

五阶

STEP-1

SUB=5FREQ=3・687USUM（AVG）RSYS-0

DMX=.516E-05

SMX=.516E-05

APR192014

21:

38:

12

3110104687

1

NODALSOLUTION

STEP-1SUB«5

FREQ=3.687

SEQV

.344E-05

.574E-06

・459E-05

.402E-05.516E-05

APR192014

21:

38:

39

（AVG）-.516E-05-37.224=10735

37.224

1226

2415

4792

7169

9546

3603

5980

8358

10735

3110104687zhangxu

APR192014

21:

39:

05

STEP=1

SUB=5

FREQ=3.687EPELEQV（AVG）

DMX-.S16E-0S

SMN-.585E-09

SMX=.537E-07

.585E-09

.124E-07

.242E-07

•649E-08

3110104687zhangxu

.183E-07

.360E-07

.301E-07.419E-07

.478E-07

.537E-07