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摘 要：基于半浮式半軸结构，采用ANSYS Workbench进行受力分析，确定半轴在垂向力和扭矩复合作用下的应力分布情况。CAD建模和CAE分析两者的结合可缩短半轴的设计及制造成本。该方法具有普遍性，对全面提升汽车关键受力构件的设计水平和设计质量具有重要现实意义。
关键词：半浮式半轴；CAD三维建模；ANSYS Workbench有限元分析；静力分析
中图分类号： U462 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2017）06-155-2
1 概述
半轴是介于差速器和驱动轮之间传递动力的实心轴，是传动系统的重要零部件之一。半轴内端设置花键与差速器的半轴齿轮连接，外端通过凸缘与驱动轮的轮毂相连。现在汽车半轴分为全浮式半轴支承和半浮式半轴支承，典型的半浮式半轴结构如图1所示。
半浮式半轴广泛应用在承受反力和弯矩较小的汽车上，半浮式半轴只能使半轴内端免受弯矩，而外端则承受全部弯矩[1]。
半浮式半轴同时承受扭矩和弯矩，工作环境比较恶劣，确定其应力分布是非常重要的，因此对半浮式半轴进行静力分析。应用最广泛的分析类型是线性静力分析，常用于线弹性材料，静态加载等情况。在静态载荷作用下应充分考虑结构的约束，忽略对计算结果无影响的惯性，阻尼以及质量。
由经典力学理论可知，物体的动力学通用方程为：
2 半轴三维模型的建立
CATIA V5是IBM和法国达索公司共同研发的三维设计软件，大量应用在零部件建模、车身外型设计、机械加工及分析以及模拟等方面[3]。
应遵循适当的原则和方法来建立三维实体模型：
①保证满足模型质量基本要求。要保证模型与实体高度吻合以及可靠性等方面。
②建模之前应确定正确的建模顺序和方法。
③建模过程中可应用基准平面等辅助建模。利用“分析”和“工具”中的有关功能及时检查参数，避免出错[4]。
基于几何模型的特点进行简化处理。主要简化方法有：非必要的圆角可以省略；工艺结构省略掉；非重要区域的小尺寸细节可删除；对非危险区的小尺寸细节结构进行简化。根据假设及特征简化，应用CATIA V5软件绘出的半轴实体模型如图2所示。
3 半轴有限元分析
ANSYS Workbench 是新一代有限元分析环境和应用平台，有限元分析流程分为：建立三维模型，简化建立有限元分析模型，网格划分，施加边界条件及载荷条件，进行有限元分析，验证有限元分析结果[5]。
3.1 网格划分及材料的选取
网格划分是有限元分析的重要环节，应遵循以下基本原则：
①网格数量：计算精度和工作量与网格数量的多少成正比。
②单元阶次：在静态分析中，选择高阶单元，可以提高分析精度。鉴于计算精度和工作量的关系，对应力梯度较大的区域网格进行加密处理。
③网格分界面和分界点：结构中可分为网格边界或节点，来定义材料属性、载荷等约束条件。
④网格质量：是指网格几何形状的合理性。网格质量直接影响计算精度。在划分网格时应保证网格质量满足某些指标，在受力、力矩梯度较高处尽量细化网格，而在受力、力矩梯度较小的区域，可适当降低网格质量。
⑤网格疏密：网格疏密是指为了适应计算分析而在结构的不同部位采用大小不同的网格。为了提高计算精度，在应力集中的部位，采用密集的网格划分。而在非重要部位适当地划分相对稀疏的网格。
⑥位移协调性：是指通过单元节点传递单元上的力和力矩。一个单元的节点同时也是相邻单元的节点，相邻单元包含的节点具有相同的自由度。采用自适应四面体网格对半轴进行网格划分足以满足要求，单元尺寸选取为0.5mm。网格划分结果共有1319020个节点，773456个单元。
本文半浮式半轴的材料为合金结构钢，压缩屈服强度为250MPa；拉伸屈服强度为250MPa；抗拉极限强度460MPa。表1列举了汽车的各项参数，可计算出载荷，扭矩等数据。
有限元计算首先将实体模型进行网格划分，离散为若干个单元，各单元之间通过节点相连，然后通过计算施加在节点上的约束和载荷完成有限元计算。
3.2 载荷加载及有限元分析
分别在内端花键端面和外端凸缘端面添加固定约束，在内端花键根部的支承处，即花键齿与半轴基体的过渡部分添加扭矩。在外端轴承处添加垂向力，经计算得扭矩为280N·m，最大垂向力为14375N。最终加载如图3所示。
4 结论
在ANSYS Workbench环境下对半浮式半轴进行线性静力分析，得到了应变及应力分布。从结果可以得出该半轴的弯扭复合应力满足许用弯曲应力的要求，其最大变形符合国家标准。本文在建模和加载的过程中，做出了适当的简化，分析结果有一定的误差，但影响可以忽略。因此，该有限元仿真分析结果可以作为设计开发的有效参考，以缩短开发周期降低成本。半轴工作环境复杂多变，要完全切合实际的进行产品制造，还需要进一步分析验证。
参 考 文 献
[1] 陈家瑞.汽车构造（下）[M].北京：机械工业出版社，2009：151-153.
[2] 黄志新，刘成柱.ANSYS Workbench 14.0超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社，2013：165-167.
[3] 梁科，任燕.CATIA V5在汽车模具运动仿真的应用[J].机械工程与自动化，2015（5）：207-208.
[4] 王吉忠，沙德文，刘成极，等. 基于UG软件的鼓式制动器三维建模与装配[J].机械设计与制造，2008（2）：171-173.
[5] 王金杰.载货车驱动桥壳疲劳强度分析及优化设计[D].山东：山东理工大学，2010.
关键词：半浮式半轴；CAD三维建模；ANSYS Workbench有限元分析；静力分析
中图分类号： U462 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2017）06-155-2
1 概述
半轴是介于差速器和驱动轮之间传递动力的实心轴，是传动系统的重要零部件之一。半轴内端设置花键与差速器的半轴齿轮连接，外端通过凸缘与驱动轮的轮毂相连。现在汽车半轴分为全浮式半轴支承和半浮式半轴支承，典型的半浮式半轴结构如图1所示。
半浮式半轴广泛应用在承受反力和弯矩较小的汽车上，半浮式半轴只能使半轴内端免受弯矩，而外端则承受全部弯矩[1]。
半浮式半轴同时承受扭矩和弯矩，工作环境比较恶劣，确定其应力分布是非常重要的，因此对半浮式半轴进行静力分析。应用最广泛的分析类型是线性静力分析，常用于线弹性材料，静态加载等情况。在静态载荷作用下应充分考虑结构的约束，忽略对计算结果无影响的惯性，阻尼以及质量。
由经典力学理论可知，物体的动力学通用方程为：
2 半轴三维模型的建立
CATIA V5是IBM和法国达索公司共同研发的三维设计软件，大量应用在零部件建模、车身外型设计、机械加工及分析以及模拟等方面[3]。
应遵循适当的原则和方法来建立三维实体模型：
①保证满足模型质量基本要求。要保证模型与实体高度吻合以及可靠性等方面。
②建模之前应确定正确的建模顺序和方法。
③建模过程中可应用基准平面等辅助建模。利用“分析”和“工具”中的有关功能及时检查参数，避免出错[4]。
基于几何模型的特点进行简化处理。主要简化方法有：非必要的圆角可以省略；工艺结构省略掉；非重要区域的小尺寸细节可删除；对非危险区的小尺寸细节结构进行简化。根据假设及特征简化，应用CATIA V5软件绘出的半轴实体模型如图2所示。
3 半轴有限元分析
ANSYS Workbench 是新一代有限元分析环境和应用平台，有限元分析流程分为：建立三维模型，简化建立有限元分析模型，网格划分，施加边界条件及载荷条件，进行有限元分析，验证有限元分析结果[5]。
3.1 网格划分及材料的选取
网格划分是有限元分析的重要环节，应遵循以下基本原则：
①网格数量：计算精度和工作量与网格数量的多少成正比。
②单元阶次：在静态分析中，选择高阶单元，可以提高分析精度。鉴于计算精度和工作量的关系，对应力梯度较大的区域网格进行加密处理。
③网格分界面和分界点：结构中可分为网格边界或节点，来定义材料属性、载荷等约束条件。
④网格质量：是指网格几何形状的合理性。网格质量直接影响计算精度。在划分网格时应保证网格质量满足某些指标，在受力、力矩梯度较高处尽量细化网格，而在受力、力矩梯度较小的区域，可适当降低网格质量。
⑤网格疏密：网格疏密是指为了适应计算分析而在结构的不同部位采用大小不同的网格。为了提高计算精度，在应力集中的部位，采用密集的网格划分。而在非重要部位适当地划分相对稀疏的网格。
⑥位移协调性：是指通过单元节点传递单元上的力和力矩。一个单元的节点同时也是相邻单元的节点，相邻单元包含的节点具有相同的自由度。采用自适应四面体网格对半轴进行网格划分足以满足要求，单元尺寸选取为0.5mm。网格划分结果共有1319020个节点，773456个单元。
本文半浮式半轴的材料为合金结构钢，压缩屈服强度为250MPa；拉伸屈服强度为250MPa；抗拉极限强度460MPa。表1列举了汽车的各项参数，可计算出载荷，扭矩等数据。
有限元计算首先将实体模型进行网格划分，离散为若干个单元，各单元之间通过节点相连，然后通过计算施加在节点上的约束和载荷完成有限元计算。
3.2 载荷加载及有限元分析
分别在内端花键端面和外端凸缘端面添加固定约束，在内端花键根部的支承处，即花键齿与半轴基体的过渡部分添加扭矩。在外端轴承处添加垂向力，经计算得扭矩为280N·m，最大垂向力为14375N。最终加载如图3所示。
4 结论
在ANSYS Workbench环境下对半浮式半轴进行线性静力分析，得到了应变及应力分布。从结果可以得出该半轴的弯扭复合应力满足许用弯曲应力的要求，其最大变形符合国家标准。本文在建模和加载的过程中，做出了适当的简化，分析结果有一定的误差，但影响可以忽略。因此，该有限元仿真分析结果可以作为设计开发的有效参考，以缩短开发周期降低成本。半轴工作环境复杂多变，要完全切合实际的进行产品制造，还需要进一步分析验证。
参 考 文 献
[1] 陈家瑞.汽车构造（下）[M].北京：机械工业出版社，2009：151-153.
[2] 黄志新，刘成柱.ANSYS Workbench 14.0超级学习手册[M].北京：人民邮电出版社，2013：165-167.
[3] 梁科，任燕.CATIA V5在汽车模具运动仿真的应用[J].机械工程与自动化，2015（5）：207-208.
[4] 王吉忠，沙德文，刘成极，等. 基于UG软件的鼓式制动器三维建模与装配[J].机械设计与制造，2008（2）：171-173.
[5] 王金杰.载货车驱动桥壳疲劳强度分析及优化设计[D].山东：山东理工大学，2010.