傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)的切應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)角ANSYS分析-已知功率和轉(zhuǎn)速

2017-02-17  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)




導(dǎo)讀:只受扭轉(zhuǎn)的構(gòu)件,用梁?jiǎn)卧?/span>BEAM188建模分析。梁?jiǎn)卧膯卧獙傩杂袉卧愋?、截面屬性和材料屬?輸入截面尺寸便可求出積慣性矩。后處理要會(huì)輸出扭矩圖和轉(zhuǎn)角云圖,扭轉(zhuǎn)角的單位是rad。



一、問題描述

一傳動(dòng)軸,已知軸的直徑d= 45 mm,轉(zhuǎn)速n=300 r/min。主動(dòng)輪輸入功率PA= 36.7 kW;從動(dòng)輪B、C、D輸出的功率分別為PB= 14.7 kWPC= PD= 11k W。軸的材料為45鋼,剪切模量G= 80 GPa。許用切應(yīng)力40MPa,許用扭轉(zhuǎn)角2°/m。校核該軸的強(qiáng)度和剛度。

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ANSYS中設(shè)置材料屬性一般輸入彈性模量和泊松比,計(jì)算前需將剪切模量G轉(zhuǎn)換成彈性模量E,E = 2G(1+u)。設(shè)泊松比u = 0.3,彈性模量E = 208 GPa。單位制mm、NMPa。各段軸的長度取0.2 m。


二、理論計(jì)算

參考教材:

北京科技大學(xué), 東北大學(xué). 工程力學(xué)材料力學(xué)(4) [M]. 北京: 高等教育出版社, 2011: 82-83.

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二、GUI步驟

1.進(jìn)入ANSYS

程序→ ANSYS → ANSYSProduct Launcher → 改變working directory到指定文件夾job name輸入:file → Run。

2.定義工作文件名及工作標(biāo)題

(1)定義工作文件名:UtilityMenu > File > Change Jobname → Change Jobname → 輸入文件名file→ OK。可不用輸入,默認(rèn)為file。

(2)定義工作標(biāo)題:UtilityMenu > File > Change Title → Change Title → 輸入Beam→ OK??刹挥幂斎?。

3.定義單元屬性

(1)定義單元類型:MainMenu >Preprocessor >Element Type >Add/Edit/Delete→Add→在左列表框中選擇Beam,在右列表框中選擇2node 188→OK。

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(2)定義截面:MainMenu >Preprocessor >Sections >Beam >Common Sections →ID:1,在Sub-Type下拉框選擇實(shí)心圓形截面圖形,R:22.5,N:24,T:8→ Meshview →Meshview →OK。ANSYS無單位,需自己統(tǒng)一,本次采用N、mmMPa單位制。

圖中Area是面積、IyyIzz是慣性矩、Torsion Constant是極慣性矩。

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(3)設(shè)置材料屬性:MainMenu > Preprocessor > Material Props > Material Models → Structural→ Linear → Elastic → Isotropic → EX:2.08E5,PRXY:0.3→ OK。208 GPa=2.08E5 MPa。

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4.建立幾何模型

(1)生成關(guān)鍵點(diǎn):Main Menu >Preprocessor>Modeling >Create >Keypoints >In Active CS →依次輸入關(guān)鍵點(diǎn)的編號(hào)和坐標(biāo):1 (0,0,0),2 (200,0,0),3 (400,0,0),4 (600,0,0) →OK。

(2)創(chuàng)建直線:MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>Straight Line→依次拾取12,23,34創(chuàng)建3條直線→OK。

(3)打開線編號(hào):Utility Menu > PlotCtrls > Numbering→KP Keypoint numbers:ON,LINELine numbers:ON→ OK。

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5.劃分網(wǎng)格

(1)設(shè)置線的單元屬性:MainMenu >Preprocessor >Meshing >Mesh Tool →ElementAttributes下方選擇LinesSet→ 拾取線1→OK→選擇MAT:1,TYPE:1,SECT:1→OK。單元類型編號(hào)、截面編號(hào)和材料編號(hào)只有一種,可默認(rèn),不需要指定,此步驟可省略。

(2)設(shè)置單元尺寸:MainMenu >Preprocessor >Meshing >Mesh Tool →SizeControls下方選擇GlobalSet →SIZE: 20 →OK。20mm劃分一個(gè)單元。

(3)劃分梁?jiǎn)卧?MainMenu >Preprocessor >Meshing >Mesh Tool →Mesh:Lines→ Mesh → Pick All。

(4)打開梁?jiǎn)卧膯卧螤?Utility Menu >PlotCtrls>Style >Size and Shape →[/ESHAPE]: On。

(5)顯示單元:Utility Menu > Plot > Element。

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6.施加邊界條件

(1)施加約束:MainMenu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>OnKeypoints → 拾取關(guān)鍵點(diǎn)1→ OK → Lab2:All DOF→ Apply → OK。

如果只約束扭轉(zhuǎn)角位移ROTX,將導(dǎo)致如下錯(cuò)誤,提示約束不足。BEAM188默認(rèn)有6個(gè)自由度,雖然沒有施加其他方向的載荷,也應(yīng)該約束其他方向的所有自由度All DOF。

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(2)施加載荷:MainMenu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Force/Moment>OnKeypoints

拾取關(guān)鍵點(diǎn)2→ OK → Lab:MX,VALUE:-1170*1E3→Apply,

拾取關(guān)鍵點(diǎn)3→ OK → Lab:MX,VALUE:351*1E3→Apply,

拾取關(guān)鍵點(diǎn)4→ OK → Lab:MX,VALUE:351*1E3→ OK。

(3)求解前保存模型:UtilityMenu > Files > Save as → 輸入Beam_Load.db→ OK。

7.求解

(1)求解:MainMenu > Solution > Solve > Current LS → File > Close → Solve CurrentLoad Step → OK → Solution is done → Close。

(2)保存結(jié)果文件:UtilityMenu > Files > Save as → 輸入Beam_Solve.db→ OK。

8.后處理

(1)查看各單元扭矩

查找定義BEAM188扭矩單元表的方法:打開ANSYSHelp,搜索BEAM188。

找到BEAM188的單元介紹頁面后,頁面中查表Table188.1: BEAM188 Element OutputDefinitions,表中查找Name:TQ,Definition:Torsional moment,在Name欄中TQ便是扭矩。

頁面中查表Table188.2: BEAM188 Item and Sequence Numbers,表中查找Output Quantity Name:TQ,Item:SMISC,I:4,J:17。

定義扭矩單元表:MainMenu > General Postproc > Element Table > Define Table → Lab:輸入TQ_I→ Item:選擇Bysequence num → Comb:選擇SMISC,在SMISC后面輸入“4”→ OK → Apply → Lab:輸入TQ_J→ Item:選擇Bysequence num → Comb:選擇SMISC,在SMISC后面輸入“17”→ OK → Close

扭矩列表:MainMenu > General Postproc > Element Table > List Element Table → 選擇TQ_ITQ_J→ OK → 記錄扭矩值→ File → Close。

扭矩云圖:MainMenu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Line ElemRes → LabI選擇TQ_I,LabJ選擇TQ_J→ OK。

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將扭矩單位N.mm轉(zhuǎn)換成N.m:Main Menu >General Postproc >Element Table>Add Items → LabR:TQ_I,FACT1:1e-3,Lab1:TQ_I → Apply → LabR:TQ_J,FACT1:1e-3,Lab1:TQ_J → OK。

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重新畫扭矩云圖:MainMenu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Line ElemRes → LabI選擇TQ_I,LabJ選擇TQ_J→ OK。

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(2)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力

扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力云圖:MainMenu >General Postproc >Plot Results >Contour Plot >Nodal Solu → XYShear stress → OK。

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②AB軸的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力

選擇線1:Utility Menu >Select>Entities → 依次選擇Lines,By Num/Pick,From Full,OK →輸入1 →OK。

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畫線:UtilityMenu>Plot>Lines

選擇線1的梁?jiǎn)卧?UtilityMenu >Select >Everything Below >Selected Lines。線之下包括線、關(guān)鍵點(diǎn)、單元和節(jié)點(diǎn)。

顯示梁?jiǎn)卧?UtilityMenu>Plot>Elements。

扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力云圖:MainMenu >General Postproc >Plot Results >Contour Plot >Nodal Solu → XYShear stress → OK。

②AC軸的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力:重復(fù)步驟,選擇線2之下的梁?jiǎn)卧?畫扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力云圖。

③CD軸的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力:重復(fù)步驟,選擇線3之下的梁?jiǎn)卧?畫扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力云圖。

(3)扭轉(zhuǎn)變形

選擇所有:UtilityMenu >Select >Everything。

扭轉(zhuǎn)變形云圖:UtilityMenu >Plot >Results >Contour Plot >Nodal Solution → X - Componentof rotation→OK。

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AB軸的扭轉(zhuǎn)變形

選擇線1:Utility Menu >Select>Entities → 依次選擇Lines,By Num/Pick,From Full,OK →輸入1 →OK。

畫線:UtilityMenu>Plot>Lines

選擇線1的梁?jiǎn)卧?UtilityMenu >Select >Everything Below >Selected Lines。

顯示梁?jiǎn)卧?UtilityMenu>Plot>Elements。

扭轉(zhuǎn)變形云圖:UtilityMenu >Plot >Results >Contour Plot >Nodal Solution → X - Componentof rotation→OK。

③AC軸的扭轉(zhuǎn)變形:重復(fù)步驟,選擇線2之下的梁?jiǎn)卧?畫扭轉(zhuǎn)變形云圖。

④CD軸的扭轉(zhuǎn)變形:重復(fù)步驟,選擇線3之下的梁?jiǎn)卧?畫扭轉(zhuǎn)變形云圖。

9.退出ANSYS軟件

Utility Menu> File > Exit → Quit-No Save → OK


四、結(jié)果及討論

ANSYS輸出的扭轉(zhuǎn)角是rad,需自己換算成°°/m。ANSYS計(jì)算結(jié)果與解析解吻合。

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五、APDL步驟

/PREP7

ET,1,BEAM188 !單元類型

MP,EX,1,2.06e-3 !材料屬性MPa

MP,PRXY,1,0.3

SECTYPE, 1, BEAM, CSOLID, , 0 !截面屬性mm

SECOFFSET, CENT

SECDATA,45/2,24,8,0,0,0,0,0,0,0,0,0

K,1,0,0,0, !創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)mm

K,2,200,0,0,

K,3,400,0,0,

K,4,600,0,0,

L,1,2 !創(chuàng)建線

L,2,3

L,3,4

/PNUM,KP,1 !關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)

/PNUM,LINE,1 !線編號(hào)

LATT,1, ,1, , , ,1 !線的單元屬性

LESIZE,ALL, , ,20, , , , ,1 !單元尺寸mm

LMESH,ALL !線分網(wǎng)

/ESHAPE,1.0 !單元形狀

DK,1,ALL !施加位移約束

FK,2,MX,-1170*1E3 !施加扭矩載荷N.mm

FK,3,MX,351*1E3

FK,4,MX,351*1E3

FINISH

/SOLU

SOLVE !求解

FINISH

/POST1

/UDOC,1,DATE,1 !關(guān)閉ANSYS標(biāo)志和時(shí)間

/dev,font,1,Courier*New,400,0,-21,0,0,,, !3號(hào)字體

ETABLE,TQ_I,SMISC, 4 !定義扭矩單元表

ETABLE,TQ_J,SMISC, 17

/VIEW,1,,,1 !視圖

PLLS,TQ_I,TQ_J,1,0 !扭矩圖云圖

PRETAB,TQ_I,TQ_J !扭矩列表

SADD,TQ_I,TQ_I, ,1E-3,1, , !將扭矩單位N.mm轉(zhuǎn)換成N.m

SADD,TQ_J,TQ_J, ,1E-3,1, ,

PLLS,TQ_I,TQ_J,1,0 !扭矩圖云圖

PLNSOL, S,XY, 0,1.0 !扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力

LSEL,S,,,1 !BA段的線1

LPLOT !畫線

ALLSEL,BELOW,LINE !選線之下

EPLOT !畫單元

/GFORMAT,F,12,1, !保留1位小數(shù)

PLNSOL, S,XY, 0,1.0 !扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力云圖

!同理分別選擇線2和線3

ALLSEL,ALL

/GFORMAT,E,12,3, !數(shù)據(jù)格式

PLNSOL, ROT,X, 0,1.0 !扭轉(zhuǎn)角rad

LSEL,S,,,1 !BA段的線1

LPLOT !畫線

ALLSEL,BELOW,LINE !選線之下

EPLOT !畫單元

PLNSOL, ROT,X, 0,1.0 !扭轉(zhuǎn)角云圖rad

!同理分別選擇線2和線3


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