摘 要：以某型号枕式包装机端封机构的输出端低速轴为研究对象，用solidworks对轴进行三维实体建模，将轴的三维实体模型导入ANSYS中建立有限元模型。在此基础上，对低速轴进行结构静力分析，得出应力应变分布云图，为轴的强度和刚度判断提供了依据，并合理地提出轴的改进方案，大大提高了设计方案的可靠性以及设计效率。
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关键词：ANSYS；枕式包装机；低速轴；solidworks；有限元分析�
中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2012）003-0092-02��
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作者简介：吴晓敏（1986-），女，湖北荆州人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为机械设计及理论；龚发云（1964-），女，湖北武汉人，硕士生导师，湖北工业大学教授，研究方向为机械设计及理论。
枕式包装机的包装过程包括充填、裹包、封口等主要工序以及与其相关的前后工序，如清洗、堆码和贴标等。其主要工序中的封口工序直接关系到包装的质量以及美观价值，而在枕式包装机端封机构动力传递过程中，轴是组成机构的重要零件之一，在机器的正常运转过程中，其主要作用有传递运动和动力、支撑回转零件等。一般在设计过程中设计师综合考虑轴上零件的布局、轴的强度刚度要求来选择及确定轴的材料以及轴的结构尺寸，但在生产制造过程中，由于其它零部件的调整或累计制造误差，可能导致生产出来的轴的强度刚度及疲劳可靠性达不到理想的要求，所以在生产制造物理样机之前，对所设计的轴进行结构静力分析，以此来判断其强度刚度是否满足要求，这样大大地提高了设计效率，同时也缩短了产品研发周期，降低了成本。�
1 低速轴的三维实体模型导入�
一般在实际工作中，为方便装配、拆卸及减小应力集中，在轴阶梯处都设计有半径不一的倒圆角，在有限元分析中要考虑这些圆角会使网格的划分非常密集而增加分析时间和难度，而实验证明这些圆角对轴的分析结果影响不大，所以在ANSYS分析中可以忽略这些次要的细节，对solidworks中生成的三维实体模型进行简化，去除圆角特征，再将其导入ANSYS划分网格生成有限元模型。�
如图1 所示，轴是某型号枕式包装机端封机构的低速轴简化后的solidworks模型，动力由左端键槽轴段通过齿轮输入，其输入扭矩为48N・m，最右端轴是支撑在固定的机架上与轴承配合，其它轴段上支撑质量较轻的回转体零件。其中，齿轮、机架及回转体零件的中心孔轴线重合，所以此处轴的主要作用是传递运动和动力，后面的分析过程中暂不考虑弯矩的影响。�
图1 简化后的solidworks模型�
2 低速轴的网格划分�
对于有限元分析来说，网格划分是最关键的一个步骤，一般在ANSYS中对网格的划分过程一下几个步骤：选定有限元模型中的单元类型；选定建立网格所需要的参数；生成网格；修改及优化有限元网格。�
2.1 定义单元类型�
确定单元类型是很重要的，为适应不同的分析需要，ANSYS提供了190多种不同的单元类型，从普通的线单元、面单元、实体单元（包括2D和3D单元）到特殊的接触单元、间隙单元和表面效应单元等。在机构静力分析中常用的是前三种，其中线单元一般分析梁、杆类零件，面单元分析薄板及曲面类零件，2D实体单元一般用来分析实体的截面，3D实体单元用于分析几何形状比较复杂而又不能忽略细节的实体结构。�
划分面单元可以分为三角形（Tri）和四边形（Quad）；划分体单元可以分为四面体（Tet）和六面体（Hex）。根据有限元的结构分析理论知识可知用3D实体单元来分析结构较复杂而又不能忽略细节的实体结构比较合理，更能反映实际的情况。由于六面体单元一般做映射（Mapped）、拖拉（Sweep）等结构化网格划分，它要求被划分的实体结构比较规则，对于有键槽的低速轴，对其进行六面体网格的自由划分比较困难，而采用四面体单元作自由划分比较灵活，故该模型采用四面体单元Solid45。该单元由八个节点结合而成，每个节点有xyz三个方向的自由度，具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变等特征。�
2.2 定义单元材料特性�
根据设计图纸，低速轴的材料为45#，特性参数见表1。按材料特性要求依次定义。�
表1 低速轴材料特性�
材料弹性模量（EX）泊松比（PRXY）密度（DENS）
45#2.09e11Pa0.2697 890kg/m�3
综合以上特征，对该轴的有限元网格划分模型见图2，从图2中可以看出，网格的划分在受力集中的键槽处进行了局部细化。�
3 低速轴的结构静力分析�
3.1 约束和加载�
由于是静力分析，可以认为轴在瞬间是固定不动的，故在中心线处及右端处施加全约束；在轴的运动过程中，载荷包括整体重力载荷和左端键槽处输入转矩48N・m，首先施加重力于整体，并将轴的中心线固定，然后采用在键槽的受力面的所有节点上加载集中力，采用Force进行加载，施加所有约束和载荷后的结果见图3。�
3.2 求解运算�
求解过程包括选择求解方法、对求解结果进行检查等。ANSYS中提供的求解器分为直接求解器和迭代求解器。由于是线性静力学分析，只需利用ANSYS中默认的直接求解器中的稀疏矩阵求解器进行求解运算，点击solve，软件进行自动求解。操作步骤为MainMenu-Solution-Solve-Current Ls。求解完成后得到该轴的应力应变云图见图4和图5，由图中可以看出整体结构只有在键槽部位的应力应变最大，键槽部位的应力应变局部放大图见图6和图7。�
3.3 结果分析�
由材料应变云图可以看出，此轴的应变在键槽处受力面最大，且在键槽受力面中间向两侧呈由小变大的趋势，与实际情况相符，这是由于键槽的两端几何结构存在应力集中，由分析结果可知其最大应变0.004 35mm；由等效应力云图可以看出，键槽的受力表面的应力强度比较大，最大应力值为10.7Mpa，轴的材料为45#，其屈服极限 s为355Mpa，抗拉强度 b为600Mpa，可见材料的抗破坏能力还具有较大空间，强度满足使用要求，结构设计合理。在实际的生产制造过程中，采用合理的工艺，提高轴危险截面的强度，改变其它截面的形状，可合理地降低成本。
4 结束语�
由轴的应力应变云图及数值可以判断该轴的强度和刚度满足设计要求，其结果与实际生产中带有键槽的轴的失效机理相吻合。运用上述有限元分析方法可以方便快捷且准确地计算分析轴的受力情况，必要时提出相应的优化设计方案，有效地指导机械结构设计过程中轴以及其它关键零部件的优化设计。
参考文献：�
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（责任编辑：戴 钧）