受力分析 文档

基于Solidworks软件的应力分析Solidworks中有限元分析插件CosMos/Works分析零件的静力学性能，得出 载荷分布情况，定性的分析极限载荷（这里指的是最大扭矩）下的应力，应变分 布及其安全性能。其分析流程如下：1、建立一个简化的分析模型；2、指定材料、元素和截面；3、加约束和载荷；4、设定网格；5、执行分析；6、结果显示；7、生成研究报告。分析对象电机轴及啮合处的变速器输入轴，离合器花键轴及啮合处的离合器从动盘，电 机轴和离合器花键轴之间的联接螺栓（M12x40, 10.9级）。材料目前公司所用的变速器输入轴材料为20CrMnTi,考虑其受力情况，材料不 一致，其强度就会不一样，容易导致强度差的失效，因此根据目前情况，电机轴 和离合器花键轴均选用20CrMnTi。20CrMnTi用于制作渗碳零件，渗碳淬火后有良好的耐磨性和抗弯强度，有 较高的低温冲击韧性，切削加工性能良好，承受高速、中载或重载以及冲击和摩 擦的主要零件。对于截面为15的样件，经过第一次淬火880C，第二次淬火870C，油冷；在经过回火200C，水冷和空冷。得到的力学性能：抗拉强度，屈服强度，伸长率（式样的标距等于5倍直径时的伸长率）断面收缩率，冲击韧度，硬度 217HB。对于截面尺寸小于等于100的样件，经过调质处理，力学性能：抗拉强度，屈服强度，伸长率，断面收缩率，冲击韧度。本分析还要使用到的参数：泊松比，抗剪模量G=7.938GPa,弹性模量E=207GPa,密度。螺栓联接受力分析螺纹联接根据载荷性质不同，其失效形式也不同。受静载荷螺栓的失效形式 多为螺纹部分的塑性变形或螺栓被拉断；受变向载荷螺栓的失效形式多为螺栓的 疲劳断裂；对于受横向载荷的绞制孔用螺栓联接，其失效形式主要为螺栓杆被剪 断，螺栓杆或连接孔接触面被挤压破坏。对于10.9级M12的普通螺栓，屈服强度，拧紧力矩T=120N.m。为了增强螺纹连接的刚性、防松能力及防止受载螺栓的滑动，装配时需要预紧。 其拧紧扳手力矩T用于克服螺纹副的阻力矩T1及螺母与被连接件支撑面间的摩 擦力矩T2，装配时可用力矩扳手法控制力矩。公式：拧紧扳手力矩T=120N.m，其中K为拧紧力矩系数，为预紧力N，d为螺纹公称直径12mm。摩擦表面状态K值有润滑无润滑精加工表面0.10.12般工表面0.13-0.150.18-0.21表面氧化0.20.24镀锌0.180.22粗加工表面-0.26-0.3上表查得，一般加工表面在无润滑的情况下K=0.2则预紧力螺栓承受的最大工作载荷来源于发动机输出传递的转矩，最大转矩850N.m；最 大工作载荷螺栓的最大拉力螺栓的最大拉伸应力，螺栓公称应力截面面积As=113.1mm2=50910.716N/(113.1 10-6m2) =450.139MPa剪切应力：MPa其中=10.106mm,=10.863mm根据第四强度理论，螺栓在预紧状态下的计算应力：强度条件：其中螺栓的屈服极限；，所以螺栓满足其预紧力的确定原则：拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的 屈服极限的80%。离合器花键轴的转矩通过螺栓传递给电机轴，离合器花键轴最大转矩为=850N.m，转换成对每个螺栓的剪切力式中r=35mm由上计算分析可以得出10.9级M12的普通螺栓满足应力要求。电机轴应力分析通过简化建立一个Solidworks环境下的三维电机轴，如右图所示 材料名称：20CrMnTi 默认失败准则：最大von Mise应力属性名称数值单位弹性模量2.07e+011N/mA2泊松比0.25NA抗剪模量7.938e+010N/mA2质量密度7800kg/mA3张力强度6.15e+008N/mA2压缩强度1.5677e+008N/mA2屈服强度3.95e+008N/mA2比热47J/(kg.K)载荷和夹具夹具装卡位置为下图表蓝色部分的8个螺栓孔夹具名称夹具图像夹具细节夹具名称夹具图像夹具细节实体：8面类型：固定几何体固定-2由于电机轴受最大极限转矩为1350N.m，换算成力为1350/(20+25) x2x =60000N载荷名称装入图象载荷细节实体：10面类型：应用法向力力-1值：60000 N网格类型：实体网格所用网格器：标准网格自动过渡：打开光滑表面：打开雅可比检杳：4 Points单兀大小：2.5 mm公差：0.125 mm品质：高单兀数：628750节数：889774有限元网格划分网格划分应力-Stress分析名称类型最小位置最大位置8.75826e-005-3.93462 mm,-27.8595mm,StressVON:von Mises应力N/mmA220.7394 mm,55.2144 N/mmA2(MPa)29.6008 mm,(MPa)201.125mm164.083 mm电机轴-Simula tio nXpress St udy-应力-Str ess图中及表中看出，静力学分析，花键最大应力=55.2144 MPavv395MPa= 因此此电机轴远远满足其应力要求的。位移名称类型最小位置最大位置-18.3487 mm,57.5619mm,DisplacementURES:合位移0 mm24.7487 mm,0.0110655 mm49.5787 mm,164 mm58.1808 mm电机轴-Simula tio nXpress St udy-位移-Displacemen t变形电机轴-Simula tio nXpress St udy-位移-Deforma tion电机轴-Simula tionXpress St udy-安全系数-Fac tor of Safe tyMax-Factor of Safety = 4,510,026.50Min-Factor of Safety = 7.15由以上静力学有限元分析电机轴应力在MPa范围内变化，最大应力值远小于屈服应力395MPa，满足其应力要求。应变mm范围内变化，其最大应变在允许的范围内，故满足要求。离合器花键轴应力分析通过简化建立一个Solidworks环境下的离合器花键轴三维图。 材料名称：20CrMnTi 默认失败准则：最大von Mise应力属性名称数值单位弹性模量2.07e+011N/mA2泊松比0.25NA抗剪模量7.938e+010N/mA2质量密度7800kg/mA3张力强度6.15e+008N/mA2压缩强度1.5677e+008N/mA2屈服强度3.95e+008N/mA2比热47J/(kg.K)约束信息夹具装卡位置为下图表蓝色部分的8个螺栓孔夹具名称夹具图像夹具细节实体：8面类型：固定几何体固定-2载荷信息由于电机轴受最大极限转矩为850N.m，换算成力为850/ (20+25)X2X =37778N载荷名 称装入图象载荷细节实体：10面类型：应用法向力力-2值：37778 N网格类型：实体网格所用网格器：标准网格自动过渡：打开光滑表面：打开雅可比检杳：4 Points单兀大小：2.5 mm公差：0.125 mm品质：高单兀数：178776节数：260537完成网格的时间(时;分;秒)：00:00:16计算机名：LENOVO-PC有限元网格划分经过有限元网格划分之后，对其应力进行定性的分析名称类型最小位置最大位置StressVON:von Mises应力0.00179609N/mmA2 (MPa)(0.00338105mm,140.956mm, -0.00108279mm)153.284N/mmA2 (MPa)(-2.76726 mm,170.927 mm,24.5002 mm)应力最大处出现在花键的中间位置，最小应力出现在靠近法兰盘处，具体如下 图所示离合器花键轴-SimulationXpress Study-应力-Stress图中及表中看出，(Max-Stress )= 153.284MPa 395MPa因此此花键轴还是满足其应力要求的位移名称类型最小位置最大位置DisplacementURES:合位移0mm(24.7487 mm,12 mm,18.5487 mm)0.134707mm(13.7839 mm,252.115 mm,-35.1331 mm)位移最大出现在花键离末端5.1331mm处；最小位移靠近轴的起始端处。具体如 图离合器花键轴-SimulationXpress Study-位移-Displacement离合器花键轴- SimulationXpress Study-位 移-Deformation安全系数离合器花键轴-SimulationXpress Study-安 全系数-Factor of SafetyMax-Factor of Safety = 219,921,56，位置处于花键轴靠近法兰盘处。Min-Factor of Safety = 2.58由以上静力学有限元分析1、 花键轴应力在MPa范围内变化，最大应力值小于屈服 应力395MPa，满足其应力要求。2、应变mm范围内变化，可知其应变在可接受范围内，采用渗碳淬火处理增加轴的强度。3、 安全系数在范围内变化，位置处于花键轴中间处，此安全 系数并不能完全可靠保证轴的安全，因此在加工时对工件要进行调质处理，还要 对花键轴表面渗碳淬火处理。调质处理是为了得到良好的切削性能和渗碳的目的 保证其韧性和高塑性。渗碳处理是提高钢表面的硬度和耐磨性而心部仍保持韧性 和高塑性，渗碳层深度随零件的具体尺寸及工作条件的要求而定，太薄易引起表 面疲劳剥落，太深则受不起冲击，渗碳层深度据以往经验，一般取0.52.5mm, 渗碳层表面硬度不低于60HRC,对于载荷大得轴类零件渗碳层深度选取1.01.5。