1 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 題 目 : 減速機(jī)齒輪軸的失效分析 院 系 ： 專 業(yè) ： 學(xué) 號(hào)： 姓 名 ： 指導(dǎo)老師 ： 完 成 日 期： 2006 年 5 月 2 摘 要 本次設(shè)計(jì)主要的目的是對(duì)減速機(jī)齒輪軸進(jìn)行失效分析；根據(jù)軸的零件圖利用 PRO/E 進(jìn)行實(shí)體建模；利用 ANSYS 軟件進(jìn)行各種分析 (主要是應(yīng)力分析 )，找出輸出軸結(jié)構(gòu)上的不合理地方 ,得出該軸失效可能出現(xiàn)的原因。利用 ANSYS 對(duì)整個(gè)軸進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，對(duì)改進(jìn)后的輸出軸再一次進(jìn)行 ANSYS 分析 ,得到合理的軸結(jié)構(gòu) ,從而完善減速機(jī)的總體設(shè)計(jì)效果。 通過(guò)對(duì)軸化學(xué)成分、宏觀、微觀及力學(xué)性能等方面的一系列實(shí)驗(yàn)，分析出該軸的斷裂原因，在此基礎(chǔ)上，利用 PRO/E 軟件對(duì)減速器輸出軸進(jìn)行了較全面的有限元 分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，不但驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)分析的正確性，而且提出了合理的改進(jìn)方案。 3 目 錄 一 失效分析概論 1.1 失效形式 1.1 失效形式 二 齒輪軸的失效分析 2.1 減速機(jī)輸出軸概論 2.2 化學(xué)分析 2.2 宏觀分析 2.3 微觀分析 2.4 力學(xué)性能分析 2.5 小結(jié) 三 齒輪軸的有限元分析 3.1 建模 3.2 有限元分析 3.2 小結(jié) 四 結(jié)束語(yǔ) 附錄 1 參考文獻(xiàn) 4 前言 美國(guó)金屬手冊(cè)認(rèn)為 ,機(jī)械產(chǎn)品的零件或部件處于下列三種狀態(tài)之一時(shí) ,就可定義為失效 : 當(dāng)它完全不能工作時(shí) ; 仍然可以工作 ,但已不能令人滿意地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能時(shí) ; 受到嚴(yán)重?fù)p傷不能可靠而安全地繼續(xù)使用 ,必須立即從產(chǎn)品或裝備拆下來(lái)進(jìn)行修理或更換時(shí)。 機(jī)械產(chǎn)品及零部件常見(jiàn)的失效類型包括變形失效、損傷失效和斷裂失效三大類。本文中 減速器輸出軸就是屬于這種斷裂失效。 失效分析預(yù)測(cè)預(yù)防的總?cè)蝿?wù)就是不斷降低產(chǎn)品或裝備的失效率 ,提高可靠性 ,防止重大失效事故的發(fā)生 ,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)高速持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)來(lái)看 ,失效分析 的具體任務(wù)可歸納為 :失效性質(zhì)的判斷 ;失效原因的分析 ;采取措施 ,提高材料或產(chǎn)品的失效抗力。 失效分析是按一定的思路和方法判斷失效性質(zhì)、分析失效原因、研究失效事故處理方法和預(yù)防措施的技術(shù)活動(dòng)及管理活動(dòng)。產(chǎn)品或裝備失效分析的目的不僅在于失效性質(zhì)的判斷和失效原因的明確 ,而更重要的還在于為積極預(yù)防重復(fù)失效找到有效的途徑。通過(guò)失效分析 ,找到造成產(chǎn)品或裝備失效的真正原因 ,從而建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇與使用、加工制造、裝配調(diào)整、使用與保養(yǎng)方面主要的失效抗力指標(biāo)與措施 ,特別是確定這種失效抗力指標(biāo)隨材料成分、組織和狀態(tài)變化 的規(guī)律 ,運(yùn)用金屬學(xué)、材料強(qiáng)度學(xué)、工程力學(xué)等方面的研究成果 ,提出增強(qiáng)失效抗力的改進(jìn)措施。既能得到提高產(chǎn)品或裝備承載能力和使用壽命 ,又可做到充分發(fā)揮產(chǎn)品或裝備的使用潛力 ,使材盡其用 ,這是產(chǎn)品或裝備失效分析、預(yù)測(cè)預(yù)防研究的重要目的與內(nèi)容。 材料科學(xué)的興起、先進(jìn)測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用以及近代物理、化學(xué)等的全面發(fā)展，使得人們能夠從微觀方面闡明產(chǎn)品失效的本質(zhì)、規(guī)律和原因。近半個(gè)世紀(jì)所積累的失效分析知識(shí)與技術(shù)千百倍于人類前期有關(guān)知識(shí)的總和。但這種知識(shí)必然隨著人類生產(chǎn)實(shí)踐和科技進(jìn)步而不斷發(fā)展。雖然由于科技的發(fā)展，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用與維修上的技術(shù)改進(jìn)，使得產(chǎn)品的自動(dòng)化程度愈高、技術(shù)愈密集，一旦出現(xiàn)失效，造成的損失就愈嚴(yán)重。因此失效分析將隨著科技的高速發(fā)展顯得更為重要。 5 Pro/ENGINEE 是 1985 年美國(guó)波士頓 PTC 公司開(kāi)發(fā)出來(lái)的參數(shù)化建模軟件，目前已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。目前已經(jīng)發(fā)布了 Pro/ENGINEER WILDFIRE 3.O。它包括了在工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的多項(xiàng)功能，還包括對(duì)大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。而且 Pro/ENGINEER 還提供了目前所能達(dá)到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)環(huán)境 ，本文所進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)分析就是基于 Pro/ENGINEER 這一軟件。 軸幾乎是任何一種機(jī)械零件中不可缺少的重要零件之一 ,是最常見(jiàn)的失效零件 , 某廠一批減速器在使用不到半年內(nèi)的齒輪軸相繼發(fā)生幾起斷軸事件，而且斷軸現(xiàn)象十分相似，給該廠造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。我們通過(guò)對(duì)減速器中的齒輪軸的宏、微觀分析和結(jié)構(gòu)分析，了解該軸的應(yīng)力分布情況，找出應(yīng)力集中部位，分析該系列軸斷裂的原因 ,在此基礎(chǔ)上充分利用 PRO/E 技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)力分析 ,以驗(yàn)證宏、微觀分析結(jié)果 ,再利用 PRO/E 技術(shù)進(jìn)行軸的優(yōu)化設(shè)計(jì) ,達(dá)到改進(jìn)軸的目的。這樣既能保 證設(shè)備的正常使用，提高工廠的經(jīng)濟(jì)效益，有很高的實(shí)用價(jià)值，而且為軸失效問(wèn)題的分析可提供有效的參考資料。 6 第 1章 失效分析概論 1.1 失效分析的概念 所謂失效，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB3187 一 82可靠性基本詞術(shù)語(yǔ)及定義，就是 :“產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能”，對(duì)可恢復(fù)產(chǎn)品通常也稱故障。為了研究失效的原因，確定失效的模式或機(jī)理，并采取補(bǔ)救或預(yù)防措施以防止失效再度發(fā)生的技術(shù)活動(dòng)與管理活動(dòng)，叫作“失效分析”。因此失效分析是可靠性工程的重要組成部分，也是保證產(chǎn)品可靠性而需建立的反饋系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。 1.2 失效的類型 機(jī)械零件在使用過(guò)程中雖然有各種形式的失效，但多數(shù)是疲勞失效。機(jī)械零件的使用壽命在很大程度上取決于其疲勞特性，有的資料報(bào)導(dǎo)，在整個(gè)機(jī)械零件的失效總數(shù)中，疲勞失效占 80 90，具體的比例數(shù)字視工業(yè)部門的性質(zhì)而定。軸幾乎是任何一種機(jī)械中不可缺少的重要零件之一，用來(lái)支撐旋轉(zhuǎn)零件或通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)傳遞動(dòng)力或運(yùn)動(dòng)。軸件失效形式可分為以下三種： 過(guò)量變形 即軸件在使用過(guò)程中產(chǎn)生超出設(shè)計(jì)允許的過(guò)度變形，這種變形可能是彈性變形，如車床主軸和幢刀刀桿因剛度不足發(fā)生大彈性變形影響加工精度的情形，也可 能是塑性變形，即由于設(shè)計(jì)失誤或使用不當(dāng)，使得軸發(fā)生不可恢復(fù)的過(guò)量的殘余變形。 斷裂 軸件在外加載荷或其它環(huán)境因素 （溫度、腐蝕性介質(zhì)等）相互影響共同作用下，發(fā)生斷裂破壞。與其它失效形式相比，斷裂同樣是最危險(xiǎn)的，其中疲勞斷裂也是最常見(jiàn)的形式。軸類疲勞失效的比例要比前面所述的要高。 表面損傷 即零件由于磨損、腐蝕、接觸疲勞及其復(fù)合作用下造成表面尺寸及粗糙度的變化，出現(xiàn)腐蝕坑、麻點(diǎn)、剝落等，使得零件接觸精度降低，振動(dòng)增大，最后 7 完全喪失功能。 1.4 失效分析的思路 失效分析思路是對(duì)于己經(jīng)發(fā)生的事故 考慮從什么地方開(kāi)始，沿著什么樣的程序去分析研究故障現(xiàn)象的因果關(guān)系，確定事故原因，完成分析任務(wù)。斷裂失效分析思路一般是斷裂失效事故 故障件裂紋或斷口分析 力學(xué)性能分析 顯微組織分析 結(jié)構(gòu)受力分析 使用維護(hù)分析。必要時(shí)可進(jìn)行工藝分析、材料成分分析、環(huán)境分析、相結(jié)構(gòu)分析和殘余應(yīng)力分析。 1.5 斷裂失效分析的一般程序 失 效 ( 故 障 ) 發(fā) 生調(diào)查加工和服役歷史 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及殘骸分析判斷首先破壞件初步觀察 制定分析方案制備復(fù)形及截取試樣 宏觀斷口分析 無(wú)損檢測(cè)分析金相分析 微觀斷口分析 化學(xué)成分分析常規(guī)力學(xué)性能測(cè)定確定失效性質(zhì)制造件和使用件的統(tǒng)計(jì)分析零部件應(yīng)力分布測(cè)定及計(jì)算有關(guān)失效抗力指標(biāo)的 測(cè) 定定量斷口學(xué) 分 析找出具體的表達(dá)式模擬試驗(yàn)復(fù)合設(shè)計(jì)綜合分析確定失效原因提出改進(jìn)措施進(jìn)行生產(chǎn)考驗(yàn) 8 圖 1-1 1.6 失效分析的過(guò)程 1調(diào)查研究 （ 1） 向機(jī)器操作者調(diào)查破壞過(guò)程，觀察破壞現(xiàn)場(chǎng)，了解破壞構(gòu)件在機(jī)器的部位和工作情況。 （ 2）向生產(chǎn)工人和技術(shù)人員調(diào)查 構(gòu)件的生產(chǎn)工藝歷史和工藝參數(shù)。 （ 3）向設(shè)計(jì)人員調(diào)查構(gòu)件的設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)計(jì)算。 （ 4）外觀檢查，觀察破壞構(gòu)件的外形特征。 （ 5）服役條件、工作環(huán)境等的綜合分析。 2斷口分析、破面分析、變形量測(cè)定 （ 1）斷裂試樣的正確選擇及切取。 （ 2）斷口的宏觀分析。 （ 3）斷口的微觀分析。 3內(nèi)在質(zhì)量的檢驗(yàn) （ 1）低倍檢驗(yàn) :主要檢查夾雜、氣孔等低倍檢查項(xiàng)目。 （ 2）金相組織分析 :檢查破斷零件的裂紋分布及走向，金相組織是否正常。 （ 3）材料的化學(xué)成分分析 :主要復(fù)驗(yàn)材料的化學(xué)成分是否合乎零件的要 求，以及雜質(zhì)、 偏析和可能引起問(wèn)題的微量元素在材料中的含量及大致分布。 （ 4）機(jī)械性能測(cè)定 :主要復(fù)驗(yàn)材料的常規(guī)機(jī)械性能是否合格，據(jù)構(gòu)件破壞 部位的幾何形狀、應(yīng)力分布情況、負(fù)載的變化等情況與該類情況下的靜 /動(dòng)機(jī)械性能比較。 4判明失效的原因 :據(jù)上面的調(diào)查研究及實(shí)驗(yàn)檢查結(jié)果，綜合分析造成構(gòu)件失效的原因。 5提出改進(jìn)措施 6實(shí)際運(yùn)行考驗(yàn) 9 第 2 章 齒輪軸的失效分析 2.1 減速器齒輪軸概論 減速器齒輪軸是減速器的關(guān)鍵部件。減速器廣泛應(yīng)用于起重運(yùn)輸、冶金、礦山、水利、各種機(jī)械、油田、農(nóng)業(yè)等行業(yè)，由于工作條件惡劣 ，過(guò)載時(shí)間長(zhǎng)，加之頻繁的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，經(jīng)常在軸肩處產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致斷裂事故，給生產(chǎn)及安全造成很大的影響。為此，我們對(duì)減速機(jī)輸出軸的失效原因進(jìn)行了比較系統(tǒng)的分析，并采用 PRO E 建模、 ANSYS 有限元分析對(duì)減速機(jī)輸出軸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使減速機(jī)的工作性能達(dá)到最優(yōu)的同時(shí)，大大減短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本在實(shí)際應(yīng)用中得到了良好的效果 。 其 種類繁多，按照傳動(dòng)類型可分為齒輪減速器、蝸桿減速器和行星齒輪減速器；按照傳動(dòng)級(jí)數(shù)不同可分為單級(jí)和多級(jí)減速器；按照齒輪形狀可分為圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器和圓錐圓柱齒輪減速器；按照傳動(dòng)的布置形式又可分為展開(kāi)式、分流式和同軸式減速器。 本文設(shè)計(jì)的減速器如下圖所示。 10 圖 2-1 減速器裝配圖 2.2 化學(xué)分析 通過(guò)對(duì)斷軸進(jìn)行化學(xué)成分分析，得出結(jié)果見(jiàn)表 2-1 表 2-1 齒輪軸化學(xué)成分分析結(jié)果 元素 C S3H2 Mn P S Cr N3H2 MO 百分比 0.20 0.27 0.47 0.010 0.010 1.69 1.38 0.27 上表所列化學(xué)成分分析 結(jié)果表明，制作齒輪軸的鋼質(zhì)純凈。硫、磷含量低，軸的成分無(wú)明顯差異，且符合該齒輪軸材質(zhì)的設(shè)計(jì)要求。 2.3 力學(xué)性能分析 2.3.1 硬度 對(duì)斷列齒輪軸橫截面的夾層、 1/2 半徑處和芯部進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表 2-2 表 2.2 齒輪軸橫截面硬度測(cè)試結(jié)果 11 測(cè)試位置 軸 3H2 測(cè)試值 平均值 1 2 3 表層 32 36 34 34 1/2 半徑處 23 24 22 23 芯部 12 14 14 13.3 2.3.2 拉伸試驗(yàn) 從齒輪軸斷列表面附近截面取坯料兩快，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)加工成拉伸試樣，然后，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試強(qiáng)度和塑性。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表 2.3 表 2.3 齒輪軸材料拉伸試驗(yàn)結(jié)果 性能名稱 齒輪軸 測(cè)試值 平均值 1 2 a(MPa) 975 975 975 b(MPa) 1070 1080 1075 (%) 13 12 12.5 12 W(%) 45 47 46 與圖紙上對(duì)該軸性能要求相比較，上表的拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果也基本滿足齒輪材質(zhì)性能要求。同時(shí)也顯示該材料性能比較均勻，各項(xiàng)指標(biāo)差別很小。 2.4 宏觀分析 2.4.1 機(jī)械加工狀況 失效零件的斷口，總是如實(shí)地記錄著從 裂紋的萌生、擴(kuò)展到最后分離的整個(gè)斷裂過(guò)程的各種有用的信息，所以通過(guò)對(duì)斷口的檢查分析，可以了解破斷的全貌、裂紋和零件形狀的關(guān)系、斷口與變形的關(guān)系、斷口與受力狀態(tài)的關(guān)系，初步判斷破斷起源位置、破斷性質(zhì)和原因，縮小進(jìn)一步分析研究的范圍，可為進(jìn)一步分析取樣部位和數(shù)量的確定提供線索和依據(jù)，有助于找到導(dǎo)致零件斷裂的原因，因此斷口分析往往是失效分析過(guò)程中比不可少的一步。 軸的表面和齒面加工較好，很光滑，但在截面的突變處，即臺(tái)肩處和鍵槽角部加工十分粗糙，刀痕嚴(yán)重，且向軸內(nèi)凹進(jìn)，形成天然裂紋源，如圖 圖 2.2。 圖 2.2 軸的斷裂處 13 （ a）（軸 3H2） 125 （ b）（軸 3H2） 125 圖 2.3 臺(tái)肩處 (a) (b)和鍵槽角部凹進(jìn)車刀口 圖 2.4 截面突變臺(tái)肩斷裂處 凹進(jìn)的車刀口，會(huì)造成極大的應(yīng)力集中，是造成齒輪軸斷裂的重要原因，致使斷裂位置都在截面突變的臺(tái)肩處，見(jiàn)圖 2.4。 2.4.2. 斷面形貌 齒輪軸斷裂表面的形貌是一個(gè)扭轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口形態(tài)。軸的斷裂面形貌見(jiàn)圖 2-5a)d)。斷裂面形貌明顯表現(xiàn)出如下特點(diǎn) : 最后斷裂區(qū)很小，說(shuō)明承受的工作應(yīng)力小。 最后斷裂區(qū)是纖維狀，有撕裂，表明齒輪軸材料塑性較好，與力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果基本一致。 有疲勞弧線，說(shuō)明該軸是受疲勞應(yīng)力而斷裂。 鍵槽角部有脊嶺，此處為疲勞源點(diǎn)，有很大應(yīng)力集中。 14 圖 2.5 軸的斷裂面形貌 2.5 微觀分析 2.5.1 掃描電鏡測(cè)試 對(duì)斷裂表面邊緣脊嶺處，鍵槽角部及最后斷裂區(qū)進(jìn)行了掃描電鏡觀測(cè)， 其斷口形貌如圖 2-5（ a） -(c)邊緣脊嶺處有輪胎痕跡 (圖 2-5a).這是由疲勞裂紋的兩邊斷口在循環(huán)應(yīng)力作用下，作規(guī)則反復(fù)頂撞斷面上的棱邊或斷口上的硬質(zhì)點(diǎn)，在相對(duì)面上留下的印記，這進(jìn) 一步證明了該軸為疲勞斷裂。 鍵槽角部為解理和準(zhǔn)解理形貌 (圖 2-6a)，且有許多第二相質(zhì)點(diǎn) (即夾雜物 )，有些還較大。疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中表現(xiàn)為脆性，這與斷面比較平坦相對(duì)應(yīng)。 15 100 500 解理及準(zhǔn)解理特征斷口形貌 形貌中河流較短，有撕裂嶺， 上部有少數(shù)韌窩 （ a） （ b） 500 500 有塊狀缺陷，說(shuō)明有夾雜 含有夾有白色和灰白的塊狀缺陷， 有可能存在非金屬夾雜 （ c） （ d） 16 圖 2.5 軸 鍵槽角部 的微觀 形貌 第 3 章 齒輪軸的有限元分析 3.1 建模 3.1.1 模型的建立和分網(wǎng) 軸類零件主要是旋轉(zhuǎn)體，如果是采用自頂向下的實(shí)體建模方法，即分別創(chuàng)建各個(gè)軸段，然后再用布爾運(yùn)算將它們組成一個(gè)整體，這就要不斷的變換坐標(biāo)系以創(chuàng)建圓柱體，而且各處的 倒角和卸載槽也不好直接創(chuàng)建，因此用自底向上的方法來(lái)建立實(shí)體模型 :首先用線勾畫出軸類零件的大致的輪廓，然后進(jìn)行倒角、過(guò)渡圓角和卸載槽等的創(chuàng)建，也就是創(chuàng)建軸的縱截面輪廓 ;接著將輪廓?jiǎng)?chuàng)建為面，旋轉(zhuǎn)即可得到軸的大致外形的實(shí)體模型 ;最后只要將鍵槽部分實(shí)體創(chuàng)建，二者進(jìn)行布爾運(yùn)算中的“減”運(yùn)算即可。 模型實(shí)體創(chuàng)建完畢，接下來(lái)是網(wǎng)格的劃分，由于軸類零件的不同部位的應(yīng) 17 力和形狀都不同，因此有必要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆謪^(qū)。分區(qū)不但使得復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格自動(dòng)劃分成為可能，而且便于施加邊界條件。分區(qū)時(shí)在模型的幾何形狀和載荷突變的地方，以 及幾何結(jié)構(gòu)的對(duì)稱面位置構(gòu)造中間面，定義在中間面必須生產(chǎn)網(wǎng)格，以保證各區(qū)內(nèi)單元參差不至于過(guò)大，分布盡量均勻，且盡量對(duì)稱平衡。 由于軸類零件特有的對(duì)稱性，從圖上可看出來(lái)，如果只有一個(gè)鍵槽，則整個(gè)實(shí)體關(guān)于鍵槽的中間截面對(duì)稱。如果有兩個(gè)鍵槽，則整個(gè)實(shí)體關(guān)于鍵槽的中間截面對(duì)稱，并關(guān)于兩個(gè)鍵槽的對(duì)稱面對(duì)稱。所以本文在模型的建立過(guò)程中，均只是先建立其中的一部分，比如 1/4 的軸體 (有兩個(gè)鍵槽 )或 1/2 的軸體 (有一個(gè)鍵槽 )。對(duì)其進(jìn)行建模、分區(qū)和劃分網(wǎng)格，最后才對(duì)其進(jìn)行兩次或一次實(shí)體及網(wǎng)格的鏡像，最后將重合處的面、線和節(jié)點(diǎn)合并 即可，則整個(gè)的模型和網(wǎng)格建立劃分完畢。 由于軸類零件的應(yīng)力集中在卸載槽 (或過(guò)渡圓角處 )，對(duì)其進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)分。另外由于卸載槽旁邊是與配合齒輪嚙合的接觸面 (如圖 3-1)，故也需要對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分。主要還是卸載槽或過(guò)渡圓角的地方不好劃分映射網(wǎng)格，這個(gè)地方有幾種劃分方案，其中以圖 3-2 表示的最為優(yōu)秀。 圖 3-1 1/4 的軸體外形 圖 3-2 卸載槽處的網(wǎng)格劃分形式 18 為便于網(wǎng)格的劃分，把軸劃分為里層和外層 (如圖 3-3 )，外層部分因?yàn)樵谛遁d槽或過(guò)渡圓角處和軸與齒輪裝配處是受載荷的部位，且有可能是應(yīng)力集中處， 故網(wǎng)格劃分得比較密集，但是里層就沒(méi)有必要那樣劃分，這里就可以采用過(guò)渡網(wǎng)格或自由網(wǎng)格的劃分方式，然后采用掃掠的網(wǎng)格生成功能即可，這樣可以節(jié)省計(jì)算機(jī)的資源和計(jì)算時(shí)間，達(dá)到有的放矢。 圖 3-3 軸橫切面的網(wǎng)格劃分形式 由于軸類零件較多，如果是每根軸單獨(dú)地建立模型和分析，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和計(jì)算機(jī)資源，為了減少工作量，故考慮通過(guò)運(yùn)用 ANSYS 程序附帶的二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)語(yǔ)言 APDL 對(duì)這一系列軸進(jìn)行完全參數(shù)化的自動(dòng)建模、分網(wǎng)和計(jì)算分 析，其中所包含的參數(shù)包括外形參數(shù)、定位參數(shù)、分區(qū)參數(shù)、網(wǎng)格劃分參數(shù)、載荷參數(shù)、材料參數(shù) 、和載荷數(shù)值等等。 為了減小整個(gè)分析文件的大小，使得在更改參數(shù)的過(guò)程中便于理解，對(duì)其整個(gè)分析文件進(jìn)行了模塊化的分解，也就是對(duì)其又分解成幾個(gè)小的模塊 :參數(shù)的設(shè)置、模型的建立、網(wǎng)格的劃分、載荷及約束的加入、計(jì)算分析幾個(gè)模塊 (如圖3-4 )，與之對(duì)應(yīng)的 APBL 文件同樣也分為幾個(gè)比較小的文件，也就是把原來(lái)的一個(gè)比較大的分析文件分解成這幾個(gè)模塊相對(duì)應(yīng)的小文件，每一個(gè)文件具有相應(yīng)的功能。每個(gè)模塊進(jìn)行完成后只要實(shí)時(shí)存盤，用戶就可以隨時(shí)對(duì)模型的建立和網(wǎng)格的劃分以及載荷的加載等模塊單獨(dú)進(jìn)行參數(shù)的更改。當(dāng)然，進(jìn)行完一個(gè)分析后只要更改載荷的加載模塊中的載荷參數(shù)，就可以分析不同的工況下的應(yīng)力情況。如果對(duì)模型建立的參數(shù)進(jìn)行更改，則是對(duì)不同的軸進(jìn)行有限元分析。網(wǎng)格的劃分也可以根據(jù)需要對(duì)劃分的段數(shù)進(jìn)行設(shè)置，總結(jié)參數(shù)化分析的功能如 下。 1更改模型建立模塊中的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同的軸的模型的建立。 2更改分網(wǎng)模塊中的參數(shù)，可以控制模型網(wǎng)格劃分的疏密程度。 19 3更改加載模塊中的載荷參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同工況下的計(jì)算。 圖 3-4 分析過(guò)程的模塊化 3.2 對(duì)軸實(shí)際際模型的分析 通過(guò)對(duì)斷軸的設(shè)計(jì)模型的有限元計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)上均是合理的，其中 2軸卸載槽根部的應(yīng)力較大，仍然小于材料的許用應(yīng)力。由于軸是在國(guó)內(nèi)加工，在制造過(guò)程中不可能保證完全按設(shè)計(jì)圖紙來(lái)進(jìn)行加工。既然理論模型沒(méi)問(wèn)題，那么實(shí)際模型就值得懷疑了，因此本文決定對(duì)斷軸的實(shí)際模型同樣也進(jìn)行有限元分析。為了了解軸斷裂的全部可能，對(duì)斷軸的卸載槽處的斷口取截面，可獲取軸實(shí)際加工的卸載槽形狀 (見(jiàn)圖 3-5)，與設(shè)計(jì)圖相比，從中可以看得出明顯與圖紙上設(shè)計(jì)的形狀有很大區(qū)別。 a）設(shè)計(jì)尺寸圖 b）實(shí)際尺寸圖 圖 3-5 軸卸載槽 由于實(shí)際形狀與設(shè)計(jì)模型不同，對(duì)斜載槽處的模型和網(wǎng)格必須重新建立和劃分， 模型見(jiàn)圖 3-6，為綜合分析，除了不考慮方位的影響外，載荷也同樣按照 20 前面所述的三種工況進(jìn)行計(jì)算。 圖 3-6 軸實(shí)際模型卸載槽處網(wǎng)格圖 圖 3-7 軸受力部位示意圖 對(duì)軸進(jìn)行 ANSYS 分析，結(jié)果如下圖 3-8 所示。 21 圖 3-8 軸的應(yīng)力分布圖 3 3 改進(jìn)建議 采用 R6 的過(guò)渡圓角后，并減少配對(duì)鍵的長(zhǎng)度，改進(jìn)后的示意圖如圖 3-9 所示。 圖 3-9 鍵的修改示意圖 此改進(jìn)使得鍵槽承受載荷的端部避開(kāi)過(guò)渡圓角的部位，可以讓所有軸的過(guò)渡圓角根部和鍵端部接觸處的應(yīng)力水平與原來(lái)圖紙上設(shè)計(jì)的卸載槽方式 以及采用原來(lái)的鍵長(zhǎng)的方式相比均有較大程度的降低，可以減少過(guò)渡圓角根部的應(yīng)力集中，但是也不能隨意地減少鍵的長(zhǎng)度，因?yàn)闇p少到一定的程度，與鍵接觸的鍵槽面積也減少，導(dǎo)致承受載荷過(guò)大，也會(huì)造成鍵槽上應(yīng)力集中。 3.4 小結(jié) 1 通過(guò)對(duì)軸的應(yīng)力分布圖的分析可知：軸應(yīng)力較大的部位同樣在齒輪裝配的卸載槽處鍵槽附近。與以上的應(yīng)力分析正好吻合。 22 2斷軸在對(duì)應(yīng)工況下，其應(yīng)力水平小于同類軸。根據(jù)斷口分析結(jié)果，軸主要因鍵槽根部與卸載槽交匯處存在因加工引起的初始裂紋源，導(dǎo)致兩軸出現(xiàn)疲勞破壞而斷裂。由于材料的疲勞壽命分散性很大， 在應(yīng)力水平相差不大的情況下，軸的疲勞壽命與加工制造質(zhì)量有很大的關(guān)系。 3通過(guò)鍵槽過(guò)度圓角和鍵長(zhǎng)的修改，使應(yīng)力集中的幾率減小了很多，最大降幅為 64.1%,效果很明顯。 設(shè)計(jì)心得 畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我大學(xué)三年學(xué)習(xí)的一次綜合考試。 通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，加深了我機(jī)械專業(yè)的理解，深刻體會(huì)到了工程技術(shù)人員這幾個(gè)字的分量。 通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多東西：如何學(xué)習(xí)，如何合作，如何做人。 學(xué)無(wú)止境，此刻我更能體會(huì)這四個(gè)字深刻含義。大學(xué)即將畢業(yè)，但我要學(xué)仍然還有很多。在畢業(yè)設(shè)計(jì)暴露出來(lái)的問(wèn)題，在今后的工作生活中應(yīng)當(dāng)引以為鑒，努力 克服。在今后的工作學(xué)習(xí)中，應(yīng)該堅(jiān)持不懈的學(xué)習(xí)。 通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，也增強(qiáng)了我的自信心。我也相信能夠勝任以后的工作崗位，在工作中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中工作。 畢業(yè)設(shè)計(jì)中的挫折和喜悅，經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)將會(huì)是我今后工作的一筆重要財(cái)富。 23 參考文獻(xiàn) 1 張棟 .失效分析 M. 北京 :國(guó)防工業(yè)出版社 ,2004:6-10 2 孟昭蓉 . 2000 年世界航空安全形勢(shì)回顧 .專題報(bào)道 , 2000: 285 頁(yè) 3 張崢 .失效分析程序 J.理化檢驗(yàn) -物理分冊(cè) , 2005,41:21-23 4 張棟 .機(jī)械失效的實(shí)用分析 .北京 :國(guó)防工業(yè)出版 社 ,1997:15-18 5 Yueda.Analysis of tjermal elastic-plastic stress and strain during weldingJ.Trans.Japan Welding Soc,1971.2 (2 ):90-94 6 尹柏生 . 有限元分析系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望 EB/OL /CAE/2004-05 7 張洪信 . 有限元基礎(chǔ)理論與 ANSYS 應(yīng)用 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