0引言
現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要通過(guò)工程分析手段預(yù)測(cè)產(chǎn)品的使用壽命，井使之成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一部分。許多機(jī)件如軸、齒輪等都是在交變應(yīng)力下工作的，機(jī)件在這種變動(dòng)載荷下經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間工作就會(huì)發(fā)生疲勞斷裂。疲勞斷裂與靜載荷下的斷裂不同，無(wú)論在靜載荷下顯示脆性或韌性的材料，在疲勞斷裂時(shí)都不產(chǎn)生明顯的塑性變形，斷裂是突然發(fā)生的，所以常造成嚴(yán)重的事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在損壞的機(jī)器零件中，除磨損外，大部分是由金屬疲勞造成的。
設(shè)計(jì)人員以往在概念或詳細(xì)設(shè)計(jì)階段通常使用簡(jiǎn)單而不真實(shí)的計(jì)算來(lái)估計(jì)產(chǎn)品的壽命。而實(shí)際產(chǎn)品壽命只有等到產(chǎn)品樣機(jī)制造完成或到試驗(yàn)階段才能得到初步驗(yàn)證，無(wú)形中增加了大量的開(kāi)發(fā)成本。即使是這樣，很多與失效相關(guān)的參數(shù)不可能在試驗(yàn)估計(jì)出來(lái)，通常情況下要等到產(chǎn)品使用一段時(shí)間后才能發(fā)現(xiàn)，如因結(jié)構(gòu)疲勞引起的產(chǎn)品報(bào)廢，甚至是災(zāi)難性事故(如:曲軸或葉片斷裂，飛機(jī)失事，火車出軌，船休焊縫開(kāi)裂等)。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段利用有效的分析軟件預(yù)測(cè)產(chǎn)品壽命就顯得非常必要。齒輪軸是同步齒輪泵中極其重要的零件，為了提高其可靠性，必須對(duì)其進(jìn)行疲勞分析。
1設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)過(guò)程
SolidWorksCosmos是一種新的有限元分析(FEA)解決方案，從簡(jiǎn)單的應(yīng)力和分布方式測(cè)試到更為復(fù)雜的分析(例如，沖擊測(cè)試、非線性和疲勞分析)，COSMOS都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它為用戶得到高質(zhì)量分析結(jié)果提供了簡(jiǎn)單而高效的方法，同時(shí)滿足高端用戶在簡(jiǎn)單的F"EA軟件實(shí)現(xiàn)完全的分析控制的需求，從而幫助客戶真正實(shí)現(xiàn)縮短上市時(shí)間、減少成本并提升工程生產(chǎn)力。
結(jié)合工作實(shí)際，建立同步齒輪泵齒輪軸的模型，其基本參數(shù)為:轉(zhuǎn)速1 500 r/s，材料20CrMnTi，輸人扭矩129.6 N.m，在A,B處支撐(見(jiàn)圖1)，花鍵處承受18 4fi0 N的徑向力，求在工作載荷下的壽命問(wèn)題。
1.1三維建模
齒輪軸的三維模型如圖2所示。
建模完成后，為r加載方便，需要在鍵聯(lián)接處添加幾條參考實(shí)體及曲線:
(1)建立中心軸為基準(zhǔn)軸;
(2)創(chuàng)建"分割線":選擇"上視"基準(zhǔn)面，在軸的加載墊塊位置繪制一矩形;選擇"插人"~"分割線"，設(shè)置類型為"投影"，在圖形區(qū)域選擇軸的圓柱面為要分割的面。按此步驟依次在圖中3個(gè)位置創(chuàng)建分害吐線，如圖3所示。
1.2靜力分析
CosmosWorks和Ansys一樣都必須基于一個(gè)靜態(tài)計(jì)算結(jié)果來(lái)計(jì)算疲勞，所以首先要計(jì)算齒輪軸在工作狀態(tài)下的受力情況，然后才能創(chuàng)建疲勞研究進(jìn)行分析。
(1)建立靜態(tài)研究并設(shè)置材料屬性
①打開(kāi)"研究"對(duì)話框，定義研究類型為"靜力分析";分析類型為"靜態(tài)"點(diǎn)擊"完成"。
②右擊"靜力分析"，點(diǎn)擊"屬性"，打開(kāi)"static"對(duì)話框。確保解算器為"FFEPIus"(迭代方法)和"使用軟彈簧使模型穩(wěn)定"選項(xiàng)被選中。點(diǎn)擊"確定"，關(guān)閉對(duì)話框。
(2)建立約束并施加載荷
①右擊"力"按鈕，選擇施加力的類型為"應(yīng)用扭矩";加載的面選擇"分割線"所劃分的曲面;選擇"基準(zhǔn)軸"作為參考軸;設(shè)置扭矩為129.6 Nm。點(diǎn)擊"確定"完成"力-1"的創(chuàng)建，按此步驟完成其他2個(gè)力的創(chuàng)建
②點(diǎn)擊"離心力"按鈕，選擇"基準(zhǔn)軸"作為離心力的參考軸，并設(shè)置轉(zhuǎn)速。
③點(diǎn)擊"制約"按鈕，制約面選擇A,B處的面。類型選擇"合葉"，合葉制約是指定圓柱面只能繞自己的軸旋轉(zhuǎn)。注意不可選擇"不可移動(dòng)"制約，"不可移動(dòng)"制約是將所有平移自由度設(shè)定為零，它不適用于旋轉(zhuǎn)。
④點(diǎn)擊"力"，選擇"應(yīng)用正常力"，選擇3個(gè)而，輸入力的值。如圖4所示。
(3)劃分網(wǎng)格并運(yùn)行，查看靜力分析結(jié)果
齒輪軸的靜力分析結(jié)果如圖5所示，其最小安全系數(shù)為1.6。
2疲勞研究
一般構(gòu)件是根據(jù)S-N曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇材料的，但是設(shè)計(jì)的可靠性不能因?yàn)橛辛薙-N曲線就會(huì)得到充分的保證。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于重要的受力構(gòu)件，即使是在考慮安全系數(shù)后進(jìn)行設(shè)計(jì)，仍然產(chǎn)生過(guò)早的破壞。出現(xiàn)這種情況的主要原因是S-N曲線是用表面經(jīng)過(guò)精心拋光并無(wú)任何宏觀裂紋的光滑試件通過(guò)試驗(yàn)得出來(lái)的。但是實(shí)際情況并非如此，經(jīng)過(guò)加工和使用過(guò)程中的構(gòu)件由于種種原因，例如非金屬夾渣、氣泡、鍛造和軋制缺陷、腐蝕坑等都會(huì)存在各種形式的裂紋，含有這種裂紋的構(gòu)件承受交變載荷作用時(shí)，表面裂紋會(huì)立即開(kāi)始擴(kuò)展，最后導(dǎo)致災(zāi)難性的破壞。
SolidWorksWorks使用"疲勞強(qiáng)度縮減因子"來(lái)解決實(shí)際情況疲勞破壞與S-N曲線(理想狀態(tài))的矛盾。
定義疲勞研究
(1)打開(kāi)"研究"對(duì)話框，定義研究名稱為"疲勞分析"，分析類型為"疲勞"，點(diǎn)擊"確定"。
(2)右擊"疲勞"研究，選擇"屬性"，打開(kāi)"疲勞"對(duì)話框，將疲勞縮減因子設(shè)置為0.9。
(3)添加事件:右擊"負(fù)載"，打開(kāi)"添加事件"，設(shè)置循環(huán)次數(shù)為1 000 000 ,"負(fù)載類型"設(shè)置為"完全反車專"。
(4)運(yùn)行并觀察結(jié)果:右擊"結(jié)果"文件夾，分別打開(kāi)"疲勞圖解"、"生命圖解(列出每個(gè)節(jié)點(diǎn)引起疲勞破壞所需要的循環(huán)次數(shù))"、"安全系數(shù)圖解(列出每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)實(shí)際應(yīng)力與極限強(qiáng)度應(yīng)力的比值)"、"雙軸性指示符(列出每個(gè)節(jié)點(diǎn)最小主應(yīng)力與最大應(yīng)力的比值)"。其雙軸性指示符如圖6所示。
3結(jié)語(yǔ)
本文詳細(xì)介紹了用SolidWorks中的插件CosmosWorks對(duì)齒輪軸進(jìn)行疲勞分析的方法，相對(duì)于其他有限元分析軟件，使用SolidWorks Cosmos進(jìn)行有限元分析，無(wú)需導(dǎo)出數(shù)據(jù)或離開(kāi)SolidWorks二維建模界面的情況下即可完成其設(shè)計(jì)方案的分析工作，可以提高設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)成本。