马达轴有限元分析

吴新江,黄昕龙（福建江夏学院,福州 350105）

马达轴有限元分析

吴新江,黄昕龙
（福建江夏学院,福州 350105）

本文在pro/e中对液压马达中的关键零件马达轴建立三维模型，将该模型导入ANSYSworkbench中，将某工况下的受力情况加载在轴上进行强度分析，分析结果表明，在此工况下，该轴的强度完全满足使用条件。

马达轴；网格划分；有限元分析

0　前言

液压传动是能量转换装置的一种传动形式，以液体作为工作介质的能量传递。它运用动力装置，将装置中带压力能的液体通过辅助部分、控制部分等装置后，由执行装置进行能量再次转变并对外做功，驱动负载并实现需要的直线或回转运动。液压马达是一种以液体为传输介质，将液压泵提供的液压能转变为机械能的能量转换装置，是液压系统中的重要执行元件，其有结构紧凑、重量轻、体积小、转动惯性小、传递效率高、输出扭矩大、可以实现无极调速、输出不受负载影响等优点，广泛应用于船舶、工程机械、行走机械、液压机具、航空及航天等领域。液压马达由定子、转子、马达轴、叶片、密封圈、螺栓等零件组成。马达轴作为马达中重要的零部件，其设计的好坏直接影响到马达的使用性能。

1　马达轴有限元模型的建立

有限元分析是一种有效的数值分析方法，其本质是将连续的实体进行离散，使之成为有限数量和有限大小的单元体,这些构件由节点关联并传递，将离散化的有限单元体替代原来的连续结构体来分析应力和变形。根据力学的解题方法,应用有限元方法逐个分析单元的力与位移关系,依据设定的边界条件计算整体连续结构的力与位移关系,运用节点的传递解出各结点的位移,然后根据这些位移分析各个离散单元的应力与应变。在pro/e中建立马达轴的三维模型，建模过程中，为了方便分析，对马达轴的部分细节进行合理的简化，如图1，轴长1342mm，最大直径210mm，最小直径173mm，马达轴的模型如图1所示，轴采用45钢，其屈服极限为355Mpa，抗拉强度为600Mpa，密度为7.85X10-6kg/mm³，弹性模量为206Gpa，泊松比为0.269。

1.1马达轴网格划分

ANSYSworkbench中，打开structure模块，将pro/e中建立的马达轴模型导入并进入mech模块，对轴进行网格划分。网格划分作为有限元模型建立时的一个重要环节，其需要考虑的问题较多，需要的工作量较大，耗费的时间较多,网格划分的结果对计算精度和计算量将产生直接影响，单元格长度、网格数量和网格疏密程度等网格参数决定网格划分质量，网格体划分中主要有六面体和四面体网格，六面体网格的计算精度会高于四面体网格，通过控制每个单元的此存来控制网格的数量，一般来讲，网格数量越多，模型的计算结果会越准确，但是网格太密，数量太多，对计算设备的要求越高，计算时间长，成本会相应的增加，因此本模型采用六面体网格进行划分，适当的控制网格大小，同时对键槽、轴肩、倒圆和倒角处适当处理，生成的马达轴的网格模型如图2所示。

1.2马达轴载荷分布

转子通过键带动轴转动，轴通过键将运动和力传给执行运行机构，因此该轴的两个键槽的侧面受力，在轴的支撑部位有轴承的支撑，两个装轴的部位也受力，同时该轴受自身的重力作用。将上述分析的力，计算后在ANSYSworkbench中将力加载在模型对应的位置。本文对马达轴做静强度分析，因此，将模型固定即可，在求解器里面设置需要求解的参数，本文中研究的是马达轴的静强度，将应力和应变作为求解参数加入到求解器即可。

2　马达轴静强度分析

通过计算，马达轴的结果如图3、4所示，其中图3为马达轴应力分布云图，图4为马达轴位移分布云图，从图3中可以看出，轴上应力最大值为27.5Mpa，应力较大的区域出现在键槽和轴的端面处，最小值为不到1Mpa，最大应力小于材料的屈服极限355Mpa，图4可以看出，马达轴的最大的变形量为0.09mm，最大变形较小，在可控范围内。在此工况下，马达轴的最大应力和应变都在允许的可控范围内，且其最大应力远小于材料的屈服极限，满足马达轴刚度设计要求。

3　结论

采用有限元方法分析机构的应力和变形，其优势在于除了可以处理复杂边界条件及多种工况外，还能处理不连续的边界条件和载荷条件问题，可以解决很多机构内部包含不连续性的复杂难题，可以模块化编程，能够求得更接近实际情况的应力和位移分布，计算结果可以为工程实际应用提供重要的参考。本文通过在pro/e中建立实际的马达轴三维模型，并将某一工况下的受力情况施加在模型上进行有限元分析，分析计算的结果表明，在此工况下，该轴强度完全满足使用的需求，结果同时表明可以在此数据的基础上对该轴进行优化设计。

[1]许贤良,韦文书.液压缸及其设计[M].北京:国防工业出版社，2011(01):3-8.

[2]朱秀娟.有限元分析网格划分的关键技巧[J].机械工程与自动化,2009(02):185-186.

[3]夏贵兵.海水柱塞马达的研究[D]．青岛：中国海洋大学,2013:57—62．

[4]王志强，高殿荣，黄瑶．低速大扭矩水压马达柱塞副的结构优化及性能研究[J].煤炭学报,2013,38(s2):536—542．

[5]贾军，王蓉.基于ANSYS的超大中空液压伺服摆动马达有限元分析[J].九江学院学报，2009(03):30-34.

[6]徐川辉，王旭永，张文俊，苗中华.基于参数对比的凸轮转子伺服马达优化设计[J].中国机械工程,2015(09):2421-2426.

吴新江（1986-），男，湖北咸宁人，福建江夏学院，硕士研究生，助教，研究方向：机械制造.