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摘要：基于Abaqus软件，在考虑材料非线性和几何非线性的情况下，进行轮-轴强度分析。对应力集中区域进行加强及结构优化，提高轮-轴强度。
关键词：Abaqus，轮-轴，非线性
Abstract: Based on Abaqus,consider nonlinear about material and geometry,analysis strength of wheel-shaft. Strengthen the areas of stress concentration and optimizing structure, improving wheel - shaft strength.
Key words: Abaqus,wheel-shaft,nonlinear
中图分类号：TP311.5 文献标识码：A 文章编号：
1引言
轮-轴用于支撑整台设备，同时兼为设备提供动力来源，因此对轮-轴的强度有一定要求。
轮-轴的强度分析是模拟设备在静止及运动这2种工况下轮-轴抵抗破坏的能力。以验证设计的正确性。
2分析对象
分析模型为驱动车轮+驱动轴+平鍵。整台设备靠4组车轮(驱动车轮，从动车轮各2组)支撑，设备(图1所示)总重160吨，设备重心偏于驱动车轮组侧，承受主要支撑作用，因此，需要对驱动车轮组进行重点分析，确保能够满足支撑设备的要求。各轮组受力分布(图2所示)。当设备悬臂处于水平位置取料时，每个驱动车轮组承受400KN最大压力(合40吨)。由此需运用Abaqus软件模拟这一过程。
3分析方法
3.1分析思路
运用Abaqus/CAE或者其它CAD软件建立需要作分析的轮-轴三维模型，然后用Abaqus/Standard 和Abaqus/Explicit对需要作分析的2种工况进行分析。当提交分析时，会发现个人电脑根本无法承受如此巨大规模的计算。除非用工作
图1
图2
站分析，否则不予考虑此种方案。这就需要设计人员换一种思路来考虑这个问题。本次计算采取“各个击破”的方案来分析。即对各个零件单独进行分析。具体分析步骤为：
将驱动轴和平键组装成体进行静态分析(Static，General)。(以下称阶段1)
将驱动轮和钢轨组装成体进行静态分析(Static，General)。(以下称阶段2)
将驱动轮和钢轨组装成体进行动态分析(Dynamic，Explicit)。(以下称阶段3)
3.2材料
分析材料应力-应变曲线为准静态实验状态下测得的材料应力-应变曲线。涉及本次分析的材料(表1)
表1
车轮静止状态与钢轨之间的静摩擦系数μ=0.15，滚动摩擦系数μ=0.05
驱动轴两端支撑轴承(调心滚子轴承)自转动摩擦系数μ=0.0025
3.3边界条件
阶段1中：约束驱动轴两端支撑轴承重力场方向外的2个平动自由度+3个转动自由度，约束平键及轮-轴接触面6个自由度
阶段2中：约束驱动轴和车轮3个平动自由度，约束钢轨6个自由度。
階段3中：约束车轮轴向平动自由度和非轴向转动自由度，约束钢轨6个自由度。
3.4载荷
阶段1中：对支撑处两轴承各施加200 kN压力，对驱动轴施加重力加速度10 m/s²以及24000 N/m扭矩
阶段2中：对车轮施加重力加速度10 m/s²以及400 kN压力
阶段3中：对车轮施加等效重力加速度700 m/s²
3.5网格选取与划分
由于分析模型由Solidworks直接导入，因此某些零件不得不弃用6面体网格而选择4面体网格。这也使得计算成本由此增加。网格选取(表2)。
表2
4 计算结果
分别对上述3个阶段提交分析，以下逐一对每个阶段的结果进行分析。
4.1阶段1
轴的Mises应力(图3)，最大主应力(图4)，位移(图5)均符合工程要求
平键的Mises应力(图6)，最大主应力(图7)均符合工程要求
4.2阶段2
车轮的Mises应力(图8)，最大主应力(图9)，位移(图10)均符合工程要求
4.3阶段3
车轮的Mises应力(图11)，最大主应力(图12)均不符合工程要求，部分应力集中区域直接(图13)导致材料屈服，材料的等效塑性应变PEEQ(图14)很直观的解释了这一点。同时最大主应力(图15)也超过了材料的抗拉强度上限。种种迹象表明，此次设计存在很高的风险。
需要说明的是，在此阶段采用显示动力学分析，为缩短分析时间，节约计算成本，采用了质量放大系数：10000。由动能曲线和内能曲线的比值曲线来看，以上分析结果还是合理的。
动能曲线
5解决方案
从上面的结果中可以发现，车轮的设计是欠妥的，根据存在的问题，可以采用以下几点改动方案：
对应力集中的区域进行表面淬硬处理，提高局部区域内材料的力学性能。
将车轮的材质换了，用40Cr或者ZG35SiMn替代原来的65Mn。
修改车轮的结构，对应力集中的区域要加强，如增加车轮厚度等。
修改好后，再用Abaqus模拟一遍，确保工程万无一失。
内能曲线
动能与内能比值曲线
图3
图4
图5
图6
图7
图8
图9
图10
图11
图12
图13
图14
图15
6结论
基于Abaqus软件进行仿真分析，可以快速有效确定设计方案的可行性，缩短研发周期，减少试验费用，在设计阶段完成结构性能的风险预测并有效高进。
参考文献
[1]石亦平，周玉蓉. ABAQUS有限元分析实例详解 北京：机械工业出版社，2006
[2]赵腾伦等. ABAQUS 6.6在机械工程中的应用 北京：中国水利水电出版社，2007
[3]刘展等. ABAQUS 6.6基础教程与实例详解 北京：中国水利水电出版社，2008
[4]张建华，丁磊. ABAQUS基础入门与案例精通 北京：电子工业出版社，2012
[5]成大先等. 机械设计手册(第5版) 北京：化学工业出版社，2007
关键词：Abaqus，轮-轴，非线性
Abstract: Based on Abaqus,consider nonlinear about material and geometry,analysis strength of wheel-shaft. Strengthen the areas of stress concentration and optimizing structure, improving wheel - shaft strength.
Key words: Abaqus,wheel-shaft,nonlinear
中图分类号：TP311.5 文献标识码：A 文章编号：
1引言
轮-轴用于支撑整台设备，同时兼为设备提供动力来源，因此对轮-轴的强度有一定要求。
轮-轴的强度分析是模拟设备在静止及运动这2种工况下轮-轴抵抗破坏的能力。以验证设计的正确性。
2分析对象
分析模型为驱动车轮+驱动轴+平鍵。整台设备靠4组车轮(驱动车轮，从动车轮各2组)支撑，设备(图1所示)总重160吨，设备重心偏于驱动车轮组侧，承受主要支撑作用，因此，需要对驱动车轮组进行重点分析，确保能够满足支撑设备的要求。各轮组受力分布(图2所示)。当设备悬臂处于水平位置取料时，每个驱动车轮组承受400KN最大压力(合40吨)。由此需运用Abaqus软件模拟这一过程。
3分析方法
3.1分析思路
运用Abaqus/CAE或者其它CAD软件建立需要作分析的轮-轴三维模型，然后用Abaqus/Standard 和Abaqus/Explicit对需要作分析的2种工况进行分析。当提交分析时，会发现个人电脑根本无法承受如此巨大规模的计算。除非用工作
图1
图2
站分析，否则不予考虑此种方案。这就需要设计人员换一种思路来考虑这个问题。本次计算采取“各个击破”的方案来分析。即对各个零件单独进行分析。具体分析步骤为：
将驱动轴和平键组装成体进行静态分析(Static，General)。(以下称阶段1)
将驱动轮和钢轨组装成体进行静态分析(Static，General)。(以下称阶段2)
将驱动轮和钢轨组装成体进行动态分析(Dynamic，Explicit)。(以下称阶段3)
3.2材料
分析材料应力-应变曲线为准静态实验状态下测得的材料应力-应变曲线。涉及本次分析的材料(表1)
表1
车轮静止状态与钢轨之间的静摩擦系数μ=0.15，滚动摩擦系数μ=0.05
驱动轴两端支撑轴承(调心滚子轴承)自转动摩擦系数μ=0.0025
3.3边界条件
阶段1中：约束驱动轴两端支撑轴承重力场方向外的2个平动自由度+3个转动自由度，约束平键及轮-轴接触面6个自由度
阶段2中：约束驱动轴和车轮3个平动自由度，约束钢轨6个自由度。
階段3中：约束车轮轴向平动自由度和非轴向转动自由度，约束钢轨6个自由度。
3.4载荷
阶段1中：对支撑处两轴承各施加200 kN压力，对驱动轴施加重力加速度10 m/s²以及24000 N/m扭矩
阶段2中：对车轮施加重力加速度10 m/s²以及400 kN压力
阶段3中：对车轮施加等效重力加速度700 m/s²
3.5网格选取与划分
由于分析模型由Solidworks直接导入，因此某些零件不得不弃用6面体网格而选择4面体网格。这也使得计算成本由此增加。网格选取(表2)。
表2
4 计算结果
分别对上述3个阶段提交分析，以下逐一对每个阶段的结果进行分析。
4.1阶段1
轴的Mises应力(图3)，最大主应力(图4)，位移(图5)均符合工程要求
平键的Mises应力(图6)，最大主应力(图7)均符合工程要求
4.2阶段2
车轮的Mises应力(图8)，最大主应力(图9)，位移(图10)均符合工程要求
4.3阶段3
车轮的Mises应力(图11)，最大主应力(图12)均不符合工程要求，部分应力集中区域直接(图13)导致材料屈服，材料的等效塑性应变PEEQ(图14)很直观的解释了这一点。同时最大主应力(图15)也超过了材料的抗拉强度上限。种种迹象表明，此次设计存在很高的风险。
需要说明的是，在此阶段采用显示动力学分析，为缩短分析时间，节约计算成本，采用了质量放大系数：10000。由动能曲线和内能曲线的比值曲线来看，以上分析结果还是合理的。
动能曲线
5解决方案
从上面的结果中可以发现，车轮的设计是欠妥的，根据存在的问题，可以采用以下几点改动方案：
对应力集中的区域进行表面淬硬处理，提高局部区域内材料的力学性能。
将车轮的材质换了，用40Cr或者ZG35SiMn替代原来的65Mn。
修改车轮的结构，对应力集中的区域要加强，如增加车轮厚度等。
修改好后，再用Abaqus模拟一遍，确保工程万无一失。
内能曲线
动能与内能比值曲线
图3
图4
图5
图6
图7
图8
图9
图10
图11
图12
图13
图14
图15
6结论
基于Abaqus软件进行仿真分析，可以快速有效确定设计方案的可行性，缩短研发周期，减少试验费用，在设计阶段完成结构性能的风险预测并有效高进。
参考文献
[1]石亦平，周玉蓉. ABAQUS有限元分析实例详解 北京：机械工业出版社，2006
[2]赵腾伦等. ABAQUS 6.6在机械工程中的应用 北京：中国水利水电出版社，2007
[3]刘展等. ABAQUS 6.6基础教程与实例详解 北京：中国水利水电出版社，2008
[4]张建华，丁磊. ABAQUS基础入门与案例精通 北京：电子工业出版社，2012
[5]成大先等. 机械设计手册(第5版) 北京：化学工业出版社，2007