搜索傳動(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 kW、PC= 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。
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、N和MPa。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)(第4版) [M]. 北京: 高等教育出版社, 2011: 82-83.
二、GUI步驟
1.進(jìn)入ANSYS
程序→ ANSYS → ANSYSProduct Launcher → 改變working directory到指定文件夾→ 在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。
(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、mm和MPa單位制。
圖中Area是面積、Iyy和Izz是慣性矩、Torsion Constant是極慣性矩。
(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。
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1和2,2和3,3和4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。
5.劃分網(wǎng)格
(1)設(shè)置線的單元屬性:MainMenu >Preprocessor >Meshing >Mesh Tool →在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 →在SizeControls下方選擇GlobalSet →SIZE: 20 →OK。每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。
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。
(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
①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。
②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。
③扭矩列表:MainMenu > General Postproc > Element Table > List Element Table → 選擇TQ_I和TQ_J→ OK → 記錄扭矩值→ File → Close。
④扭矩云圖:MainMenu > General Postproc > Plot Results > Contour Plot > Line ElemRes → LabI選擇TQ_I,LabJ選擇TQ_J→ OK。
⑤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。
⑥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。
(2)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力
①扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力云圖:MainMenu >General Postproc >Plot Results >Contour Plot >Nodal Solu → XYShear stress → OK。
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。
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②,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②,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
①選擇所有:UtilityMenu >Select >Everything。
②扭轉(zhuǎn)變形云圖:UtilityMenu >Plot >Results >Contour Plot >Nodal Solution → X - Componentof rotation→OK。
②AB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②,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②,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°和°/m。ANSYS計(jì)算結(jié)果與解析解吻合。
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 !選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 !選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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