1、基于 Abaqus 的轮-轴强度分析摘要：基于 Abaqus 软件，在考虑材料非线性和几何非线性的情况下，进行轮-轴强度分析。对应力集中区域进行加强及结构优化，提高轮-轴强度。 关键词：Abaqus，轮-轴，非线性 Abstract: Based on Abaqus,consider nonlinear about material and geometry,analysis strength of wheel-shaft. Strengthen the areas of stress concentration and optimizing structure, improving whee
2、l - shaft strength. Key words: Abaqus,wheel-shaft,nonlinear 中图分类号：TP311.5 文献标识码：A 文章编号： 1 引言 轮-轴用于支撑整台设备，同时兼为设备提供动力来源，因此对轮-轴的强度有一定要求。 轮-轴的强度分析是模拟设备在静止及运动这 2 种工况下轮-轴抵抗破坏的能力。以验证设计的正确性。 2 分析对象 分析模型为驱动车轮+驱动轴+平键。整台设备靠 4 组车轮(驱动车轮，从动车轮各 2 组)支撑，设备(图 1 所示)总重 160 吨，设备重心偏于驱动车轮组侧，承受主要支撑作用，因此，需要对驱动车轮组进行重点分析，确保能够
3、满足支撑设备的要求。各轮组受力分布(图 2 所示)。当设备悬臂处于水平位置取料时，每个驱动车轮组承受 400KN 最大压力(合 40 吨)。由此需运用 Abaqus 软件模拟这一过程。 3 分析方法 3.1 分析思路 运用 Abaqus/CAE 或者其它 CAD 软件建立需要作分析的轮-轴三维模型，然后用 Abaqus/Standard 和 Abaqus/Explicit 对需要作分析的 2 种工况进行分析。当提交分析时，会发现个人电脑根本无法承受如此巨大规模的计算。除非用工作 图 1 图 2 站分析，否则不予考虑此种方案。这就需要设计人员换一种思路来考虑这个问题。本次计算采取“各个击破”的方
4、案来分析。即对各个零件单独进行分析。具体分析步骤为： 将驱动轴和平键组装成体进行静态分析(Static，General)。(以下称阶段 1) 将驱动轮和钢轨组装成体进行静态分析(Static，General)。(以下称阶段 2) 将驱动轮和钢轨组装成体进行动态分析(Dynamic，Explicit)。(以下称阶段 3) 3.2 材料 分析材料应力-应变曲线为准静态实验状态下测得的材料应力-应变曲线。涉及本次分析的材料(表 1) 表 1 车轮静止状态与钢轨之间的静摩擦系数 =0.15，滚动摩擦系数=0.05 驱动轴两端支撑轴承(调心滚子轴承)自转动摩擦系数 =0.0025 3.3 边界条件 阶段
5、 1 中：约束驱动轴两端支撑轴承重力场方向外的 2 个平动自由度+3 个转动自由度，约束平键及轮-轴接触面 6 个自由度 阶段 2 中：约束驱动轴和车轮 3 个平动自由度，约束钢轨 6 个自由度。 阶段 3 中：约束车轮轴向平动自由度和非轴向转动自由度，约束钢轨 6 个自由度。 3.4 载荷 阶段 1 中：对支撑处两轴承各施加 200 kN 压力，对驱动轴施加重力加速度 10 m/s以及 24000 N/m 扭矩 阶段 2 中：对车轮施加重力加速度 10 m/s以及 400 kN 压力 阶段 3 中：对车轮施加等效重力加速度 700 m/s 3.5 网格选取与划分 由于分析模型由 Solidw
6、orks 直接导入，因此某些零件不得不弃用 6面体网格而选择 4 面体网格。这也使得计算成本由此增加。网格选取(表2)。 表 2 4 计算结果 分别对上述 3 个阶段提交分析，以下逐一对每个阶段的结果进行分析。 4.1 阶段 1 轴的 Mises 应力(图 3)，最大主应力(图 4)，位移(图 5)均符合工程要求 平键的 Mises 应力(图 6)，最大主应力(图 7)均符合工程要求 4.2 阶段 2 车轮的 Mises 应力(图 8)，最大主应力(图 9)，位移(图 10)均符合工程要求 4.3 阶段 3 车轮的 Mises 应力(图 11)，最大主应力(图 12)均不符合工程要求，部分应力
7、集中区域直接(图 13)导致材料屈服，材料的等效塑性应变PEEQ(图 14)很直观的解释了这一点。同时最大主应力(图 15)也超过了材料的抗拉强度上限。种种迹象表明，此次设计存在很高的风险。 需要说明的是，在此阶段采用显示动力学分析，为缩短分析时间，节约计算成本，采用了质量放大系数：10000。由动能曲线和内能曲线的比值曲线来看，以上分析结果还是合理的。 动能曲线 5 解决方案 从上面的结果中可以发现，车轮的设计是欠妥的，根据存在的问题，可以采用以下几点改动方案： 对应力集中的区域进行表面淬硬处理，提高局部区域内材料的力学性能。 将车轮的材质换了，用 40Cr 或者 ZG35SiMn 替代原来
8、的 65Mn。 修改车轮的结构，对应力集中的区域要加强，如增加车轮厚度等。 修改好后，再用 Abaqus 模拟一遍，确保工程万无一失。 内能曲线 动能与内能比值曲线 图 3 图 4 图 5 图 6 图 7 图 8 图 9 图 10 图 11 图 12 图 13 图 14 图 15 6 结论 基于 Abaqus 软件进行仿真分析，可以快速有效确定设计方案的可行性，缩短研发周期，减少试验费用，在设计阶段完成结构性能的风险预测并有效高进。 参考文献 1石亦平，周玉蓉. ABAQUS 有限元分析实例详解 北京：机械工业出版社，2006 2赵腾伦等. ABAQUS 6.6 在机械工程中的应用 北京：中国水利水电出版社，2007 3刘展等. ABAQUS 6.6 基础教程与实例详解 北京：中国水利水电出版社，2008 4张建华，丁磊. ABAQUS 基础入门与案例精通 北京：电子工业出版社，2012 5成大先等. 机械设计手册(第 5 版) 北京：化学工业出版社，2007
