基于ANSYS Workbench顶轮轴的设计与优化

新兴重工湖北三六一一机械有限公司 （襄阳 441002） 徐长成 谭成顶 李存靖 张 瑜

湖北鼎誉环保科技有限公司 （襄阳 441003） 龚欣荣

1. 顶轮及顶轮轴

顶轮是某特种装备的一个关键部件，是利用钢丝绳来实现重物起升的一种装置，其具体结构如图1所示，其中拉力在T=2 000～10 000N之间变化。

顶轮轴作为顶轮的主轴，承载着顶轮对其施加的载荷，其稳定性直接关系到顶轮的安全性，因此对其强度校核十分必要，同时对其φ8mm内孔尺寸进行优化，减轻其质量，实现装备的轻量化。顶轮轴模型如图2所示。

图1 顶轮

图2 顶轮轴

2. 几何模型

考虑到网格的质量，几何建模过程中，对一些工艺尺寸如倒角、圆角进行了忽略。考虑几何对称性，取1/2几何模型进行分析（见图3）。

图3 顶轮轴1/2几何

3. 材料模型

顶轮轴材料为45钢，其弹性模量为209GPa，泊松比为0.269，屈服强度为355MPa。

4. 网格模型

为便于边界条件及载荷的施加，对原几何模型进行了分块处理，几何接触面均采用bonded形式，此接触方式对原结构力的传递没有造成影响。

网格采用纯六面体划分，网格平均质量0.89，最小值0.75，最大值0.99（见图4）。

图4 顶轮轴1/2网格模型

5. 载荷及边界条件

如图5a、图5b、图5c所示，顶轮轴两侧与支撑架接触处采用固定支撑，顶轮对顶轮轴的压力采用一面力表示，取最大值F=10 000N，对称面采用无摩擦约束。

图5 顶轮轴载荷及边界条件

6. 求解

根据材料力学，对于45#钢，采取第四强度理论校核，等效应力von Mises应力公式

图6 φ8mm内孔顶轮轴的等效应力

对于φ8 m m内孔，其最大值为σSVmax=184.17MPa（见图6）。

取安全系数n=1.5，即最大等效应力应≤355/n=236.67MPa，由此判断φ8mm顶轮轴的强度满足设计要求，但该值明显大于184.17MPa，顶轮轴有进一步优化的空间，以减轻其质量。

7. 优化设计

利用ANSYS Workbench实验设计中Response Surface模块可对顶轮轴内孔进行探测优化，使其质量最小（密度不变，以下用体积表示），具体参数如下。

输入变量：内孔直径（D a t a1），初始值Data1=8mm。

输出变量：最大等效应力（Equivalent Stress Maximum），体积（Geometry Volume），初始值分别为184.17MPa，24 614mm3。

图7 Response曲线

由图7可知，最大等效应力236.67MPa对应Data1≈16.3mm。

取Data1=16mm，其对应等效应力最大值为235.18MPa，体积为19 336mm3（见图8）。

图8 φ16mm内孔顶轮轴的等效应力

8. 结语

经实践验证，该顶轮装置采用优化后的结构在应用中运转良好，并未出现大变形或裂纹。经过优化后，顶轮轴体积缩小21.44%，有效地减轻了零件质量。等效应力最大值均出现在支撑架与顶轮轴接触内边缘，有进一步更改结构、优化的可能。

[1] 孙训方，方孝淑，关来泰. 材料力学(Ⅰ)［M］. 5版. 北京：高等教育出版社，2009.

[2] 孙训方，方孝淑，关来泰. 材料力学(Ⅱ)［M］. 5版. 北京：高等教育出版社，2009.

[3] 浦广益. ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解.北京：中国水利水电出版社，2010.

专家点评

ANSYS软件常用来分析零件受力情况，该文对网格划分、载荷情况、几何模型、材料模型及优化设计等关键环节都做了较清晰的描述，对读者有一定的指导意义。