基于ANSYS的机械传动轴有限元分析及优化

姚万琴

（山西省恒山风景名胜区管理委员会，山西 浑源 037400）

引言

机械传动轴用于变速器传递扭矩到后端差速器，这两个设备不能直接连接。传动轴在轴的两端有万向节，允许变速器和后差速器角度波动。驱动轴的长度决定共振频率，以确保轴不会达到转速的临界点。通过模态分析确定最优长度后，需要确定机械传动轴的总强度，确定安全系数和等效应力，以比较不同材料的强度。安全系数为屈服强度与冯米塞斯应力的比值。冯米塞斯应力使用单位体积的变形应变能来预测何时会发生屈服。这两个特性将用于确定在操作过程中，哪种材料将使传动轴具有最高的强度[1-4]。

本文采用有限元分析软件ANSYS进行机械传动轴实体建模，探究材料性能、工作角度等因素对传动轴的影响。采用结构钢、铝合金、聚乙烯、钛、碳纤维等五种不同材料，对外径为1.5 in的金属和复合材料机械传动轴进行分析。

1 模拟方法

利用有限元分析软件ANSYS进行了模态分析，以确定机械传动轴各长度的固有频率。原传动轴长度为12 in，每次增加12 in，最后增加到48 in。测试了结构钢、铝合金、钛、聚乙烯和碳纤维五种不同材料的固有频率。基于材料结构对机械传动轴的频率响应，对最高转数/分钟的长度进行了结构分析。通过在轴的一侧加上一个固定端，同时在轴的另一端加上一个力矩，就可以模拟传动轴处于设备锁定位置的情况。当计算每种材料的等效应力和安全系数时，施加一个500 lb·in的力矩。……