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基于
Solidworks
软件的应力分析
Solidworks
中有限元分析插件
CosMos/Works
分析零件的静力学性能，得出
载荷分布情况，
定性的分析极限载荷
（这里指
的是最大扭矩）
下的应力，
应变分
布及
其安全性能。
其分析流程如下：
1
、建立一个简化的分析模型；
2
、指定材料、元素和截面；
3
、加约束和载荷；
4
、设定网格；
5
、执行分析；
6
、结果显示；
7
、生成研究报告。
分析对象
电机轴
及啮合处的变速器输入轴，离合器花键轴及啮合处的离合器从动盘，
电机轴和离合器花键
轴之间的联接螺栓（
M12x40
，
1
0.9
级）
。
材料
目前公司所用的变速器输入轴材
料为
20CrMnTi
，考虑其受力情况，材料不
一致，
其强度就会不一样，
容易导致强度差的失效，
因此根据目前情况，
电机轴
和离合器花
键轴均选用
20CrMnTi
。
20CrMnTi
用于制作渗碳零件，渗碳淬火后有良好的耐磨性和
抗弯强度，有
较高的低温冲击韧性，
切削加工性能良好，
承受高速、
中载或重载以及冲击和摩
擦的主要
零件。
对于截面为
15
的样件，经过第一次淬火
880
℃，第二次淬火
870
℃，油冷；
在经过回火
200
℃，
水冷和空冷。
得
到的力学性能：
抗拉强度
?
b
?
1080
MPa
，<
/p>
屈
服强度
?
s<
/p>
?
835
MPa
，
伸长率
（式样的标距等于
5
倍直径时的伸长率）
?
5
?
10
%
，
断面收缩率
?
?
45
< br>%
，冲击韧度
A
kU
?
55
J
/
cm
2
，硬度
217HB<
/p>
。
对于截面尺寸小于等于
100
的样件，经过调质处理，力学性能：抗拉强度
?
b
?
615
MPa
，屈服强度
?
s
?
395
MPa
，伸长率
?
5
?
17
%
，断面收缩率
?
?
45
%
，
冲击
韧度
A
kU
?
47
J
/
cm
2
。本分析还要使用到的参数：泊松比
?
?
0
.
25
，抗剪模
量
G=7.938GPa
，弹
性模量
E=207GPa
，密度
?
?
7
.
8
?
10
3
N
/
m
2
。
螺栓联接受力分析
螺纹联接根据载荷性质不同，
其失效形式也不同。
< br>受静载荷螺栓的失效形式
多为螺纹部分的塑性变形或螺栓被拉断；
受变向载荷螺栓的失效形式多为螺栓的
疲劳断裂；
对于
受横向载荷的绞制孔用螺栓联接，
其失效形式主要为螺栓杆被剪
断，螺栓杆或连接孔接触面被挤压破坏。
对于
10.9
级
M12
的普通螺栓
，
屈服强度
?
s
?
900
MPa
，
< br>拧紧力矩
T=120N.m
。
为了增强螺纹连接的刚性、防松能力及防止受载螺栓的滑动，装配时需要预紧。
其拧紧扳手力矩
T
用
于克服螺纹副的阻力矩
T1
及螺母与被连接件支撑面间的摩
擦力矩
T2
，装配时可用力矩扳手法控制力
矩。
公式：
T
=
T1
+
T2
=
K
*
F
0
*
d
0
拧紧扳
手力矩
T=120N.m
，其
中
K
为
拧紧力矩系数
，
F
纹公称直径
12mm
。
为预紧力
N
，
d
为螺
摩擦表面状态<
/p>
有润滑
精加工表面
一般工表面
表面氧化
镀锌
粗加工表面
0.1
0.13-0.15
0.2
0.18
-
K
值
无润滑
0.12
0.18-0.21
0.24
0.22
0.26-0.3
上表查得，一般加工表面在无润滑的情况下
K=0.2
则预紧力
F
0
?
T
K
*
d
?
120
0
.
2
?
12
?
10
?
3
N
?
5
?
10
N
4
螺栓承受的最大工作载
荷来源于发动机输出传递的转矩，最大转矩
850N.m
；最<
/p>
大工作载荷
F
a
?
850
8
?
35
?
10
?
3
N
?
3035
.
72
N
螺栓的最大拉力
F
?
F
0
?
(
C
1
/
C
1
?
C
2
)
F<
/p>
a
?
50000
N
?
0
.
3<
/p>
?
3035
.
7
2
N
?
50910
.
716
N
螺栓的最大拉伸应力
?
b
，螺栓公
称应力截面面积
As=113.1mm
2
?
1
?
F
A
s
?
=50
910.716N/
（
113.1
?<
/p>
10
-6
m
2<
/p>
）
=450.139MPa
剪切应力：
?
?
T
W
T
F
0
tan(
?
?
?
v
)
?<
/p>
d
2
2
?
0
.
5
?
?
225
.
0695
1
?
d
3
1
MPa
16
其中<
/p>
d
1
=10.106mm
，
d
2
=10.863mm
根据第四强度理论，螺栓在预紧状态下的计算应力
:
?
ca
?
?
1
?
3
?
2
3
?
1
.
3
?
1
?
1
.
3
?
225
.
0695
MPa
?
292
.
59
MPa
< br>强度条件：
?
ca
?
1
.
3
F
0
?
4
d
1
2
?
292
.
59
MPa
?
80
%
?
900
MPa
其中螺栓的屈服极
限
?
s
?
90
0
MPa
；
80
%
?
?
?
s
?
?
80
%<
/p>
?
900
MPa
?
720
MPa
，所以
螺栓满足其预紧力的确定原则：
拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得超过其材料的
屈服极限
?
s
的
80%
。
离合器花键轴的转矩通过螺栓传递给电机轴，离合器花键轴最大转矩为
T
max
=850N.m
，转换成对每个螺栓的剪切力<
/p>
f
?
?
f
?
T
max
8
r
?
850
8
?
35
?
10
?
3
N
?
3035
.
72
N
?
'
?
?
r
2
?
3035
.
72
3
.
14
?
35
2
N
/
mm
2
?
0
.
< br>789
MPa
式中
r=35mm
由上计算分析可以
得出
10.9
级
M12
的普通螺栓满足应力要求。
电机轴应力分析
通过简化建立一个
Solidworks
环
境下的三维电机轴，如右图所示
材料名称：
20CrMnTi
默认失败准则：最大
von Mise
应力
属性名称
弹性模量
泊松比
抗剪模量
质量密度
张力强度
压缩强度
屈服强度
比热
数值
2.07e+011
0.25
7.938e+010
7800
6.15e+008
1.5677e+008
3.95e+008
47
单位
N/m^2
NA
N/m^2
kg/m^3
N/m^2
N/m^2
N/m^2
J/(kg.K)
载荷和夹具
夹具装卡位置为下图表蓝色部分的
8
个螺栓孔
夹具名称
固定
-2
夹具图像
实体
:
夹具细节
8
面
类型
:
固定几何体
由于电
机轴受最大极限转矩为
1350N.m
，
换算成力为
1350/
（
20+25
）
×
2
×
10
3
=60000N
载荷名称
力
-1
装入图象
载荷细节
实体
:
10
面
类型
:
应用法向力
值
:
60000 N
有限元网格划分
网格划分
网格类型
:
所用网格器
:
自动过渡
:
光滑表面
:
雅可比检查
:
单元大小
:
公差
:
品质
:
单元数
:
节数
:
实体网格
标准网格
打开
打开
4 Points
2.5 mm
0.125 mm
高
628750
889774
应力<
/p>
-Stress
分析
名称
Stres
s
类型
VON:von
Mises
应
力
最小
8.75826e-0
(MPa)
位置
最大
N/mm^2
(MPa)
位置
-27.8595mm,
29.6008 mm,
164.083 mm
-3.93462 mm,
55.2144
201.125mm
05 N/mm^2
20.7394 mm,
电机轴
-SimulationXpress
Study-
应力
-Stress
图中及
表中看出，
静力学分析，
花键最大应力
?
=
55.2144
MPa<<39
5MPa=
?
s
。
因此此电机轴远远满足其应力要求的。
位移
名称
类型
最小
位置
最大
0.0110655 mm
位置
57.5619mm,
49.5787 mm,
58.1808 mm
-18.3487 mm,
Displacement
URES:
合位移
0 mm
24.7487 mm,
164 mm
电机轴
-SimulationXpress
Study-
位移
-Displacement
变形
电机轴
-SimulationXpress
Study-
位移
-Deformation