MT301-302结构柔性模块(ANSYS)

MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 1 页 共 119 页 目目目目 录录录录 第一部分第一部分第一部分第一部分 MASTA 结构柔性模块基本操作结构柔性模块基本操作结构柔性模块基本操作结构柔性模块基本操作 第一章 MASTA 结构柔性模块及其操作.5 1.1 MASTA 结构柔性模块概述.5 1.2 MASTA 与 CAD 和 FE 相互关系及结构柔性模块操作步骤.6 1.3 建立 MASTA 及 CAD 模型7 1.4 利用有限元软件得到 MASTA 所需文件8 1.5 箱体的导入.8 1.6 异型轴的导入16 1.7 验证 MASTA 分析结果的准确性.20 1.8MASTA 系统变形分析结果及其对比.25 1.9 为有限元软件提供准确的边界条件.33 第二章 箱体的刚度矩阵和节点信息提取 .35 2.1 导入箱体的几何模型.35 2.2 网格划分.36 2.3 设定箱体接地边界条件.41 2.4 设定凝聚节点.42 2.5 运行子结构分析提取刚度矩阵和节点位置信息.46 第三章 异形轴的刚度矩阵和节点信息提取 .51 3.1 导入异形轴的几何模型.51 3.2 网格划分.51 3.3 边界条件.53 3.4 设定凝聚节点.54 3.5 运行子结构分析提取刚度矩阵和节点位置信息.62 第二部分第二部分第二部分第二部分 MASTA 结构柔性模块应用实例结构柔性模块应用实例结构柔性模块应用实例结构柔性模块应用实例 第一章 复杂箱体的结构柔性模块操作 .65 1.1 建立 MASTA 模型.65 1.2 建立箱体的 CAD 模型65 1.3 运行有限元软件，提取刚度矩阵和节点位置信息.65 1.4MASTA 结构柔性模块操作.66 1.5 验证 MASTA 分析结果的准确性.72 1.6 运行有限元软件对箱体进行进一步分析.72 1.7 箱体对内部传动部件的影响.73 1.8 复杂箱体的刚度矩阵和节点信息提取.76 第二章 行星架的结构柔性模块操作 .86 2.1 建立 MASTA 模型.86 2.2 建立行星架的 CAD 模型86 2.3 运行有限元分析软件，提取凝聚刚度矩阵及节点位置信息.86 2.4MASTA 结构柔性模块操作.87 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 2 页 共 119 页 2.5 验证 MASTA 分析结果的准确性.88 2.6 行星架的刚度矩阵和节点信息提取.88 第三章 差速器壳的结构柔性模块操作 .102 3.1 建立 MASTA 模型.102 3.2 建立差速器壳的 CAD 模型102 3.3 运行有限元分析软件，提取凝聚刚度矩阵及节点位置信息.102 3.4MASTA 结构柔性模块操作.103 3.5MASTA 计算结果的读取.104 3.6 验证 MASTA 分析结果的准确性.106 3.7 差速器壳的刚度矩阵和节点信息提取.107 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 3 页 共 119 页 第一部分第一部分第一部分第一部分 MASTA 结构柔性模块结构柔性模块结构柔性模块结构柔性模块基本操作基本操作基本操作基本操作 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 4 页 共 119 页 本部分主要内容本部分主要内容本部分主要内容本部分主要内容： 本部分共分三章： 第一章首先详细介绍MASTA软件的结构柔性模块及其重要作用， 然后通过简单的箱体和异型轴的实例对 MASTA 结构柔性模块进行系统学习， 达到读者 熟练使用 MASTA 结构柔性模块的目的；第二、三章分别为箱体和异型轴在有限元软件 中提取凝聚刚度矩阵和节点位置信息文件的详细操作过程。 通过本部分的学习，读者可以熟练掌握 MASTA 结构柔性模块的基本操作，对于复 杂的实例读者可以参见本手册第二部分 MASTA 结构柔性模块的应用实例。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 5 页 共 119 页 第一章第一章第一章第一章 MASTA 结构柔性模块及其结构柔性模块及其结构柔性模块及其结构柔性模块及其操作操作操作操作 1.1 MASTA 结构柔性模块概述结构柔性模块概述结构柔性模块概述结构柔性模块概述 在 MASTA 软件基本模块的系统变形分析中，箱体的刚度相当于无穷大、异形回转 件按照规则回转件来近似计算，显然这种处理方法与实际情况有一定差距，为了得到更 准确的计算结果，必须要考虑箱体和异形回转件实际刚度的影响，现在结合 MASTA 结 构柔性模块，读者就可以导入箱体和异形回转件的实际模型，考虑其实际的刚度影响， 并可以进行各种仿真分析。 在 MASTA 结构柔性模块中，工程设计人员可以直接利用 CAD 和 FE 系统所提供 的各种零部件的物理信息和几何信息， 在计算机上定义零部件间的约束关系并对机械系 统进行虚拟装配，从而获得机械系统的整体模型。可以在各种虚拟环境中真实地模拟系 统的工况， 并在各种工况下精确的计算齿轮和轴承的错位、 受力、 寿命和损伤率等参数， 还可以借助有限元软件查看箱体和异形回转件的最大应力、应变量和变形量等信息，同 时为齿轮的修形提供更准确的依据。读者可以方便的修改设计缺陷，仿真试验不同的设 计方案，对整个系统进行不断改进，直到获得最优设计方案以后，再制造样机，这样不 但可以缩短开发周期，而且设计效率也得到了提高。 下图为 MASTA 软件与有限元软件通过接口交换数据的关系图。 随着设计开发的不断深入，振动噪音问题显得格外重要，MASTA 结构柔性模块是 振动噪音（NVH）模块分析的基础。 目前， MASTA 提供与 ANSYS 和 MSC-NASTRAN 两个有限元软件的直接接口， 由 这两个有限元软件所得到的凝聚刚度矩阵和节点位置信息文件 MASTA 可以直接读取， 其它有限元软件得到的上述两个文件，必须修改成 MASTA 软件可以直接读取的形式。 本章将以仅有一对齿轮的最简单的变速箱为例， 详细地介绍 MASTA 与有限元的接 口以及导入箱体和异形件的操作过程。具体思路是，先建立一对齿轮的 MASTA 模型； 根据该模型的尺寸，在 CAD 中建立箱体和大齿轮轴及轮辐的三维模型；将三维模型导 入 MASTA 和 FE，再将 FE 的数据导入 MASTA 模型，运行 MASTA 的系统变形分析模 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 6 页 共 119 页 块，得到 MASTA 分析结果；将 MASTA 的结果导入 FE，运行 FE，得到有限元分析结 果。 1.2 MASTA 与与与与 CAD 和和和和 FE 相互关系及相互关系及相互关系及相互关系及结构柔性模块操作步骤结构柔性模块操作步骤结构柔性模块操作步骤结构柔性模块操作步骤 1.2.1 MASTA 与与与与 CAD 和和和和 FE 相互关系相互关系相互关系相互关系 MASTA 与 CAD 和 FE 交换数据关系图 从上图可以看出，三维 CAD 软件设计箱体（或异形轴）的三维几何模型，输出 wrl （或 stl）格式的文件给 MASTA，输出 IGES、P_T 等格式的文件给有限元软件；有限 元软件在导入 CAD 模型以后，经过子结构分析，输出凝聚节点的刚度矩阵文件和位置 信息文件给 MASTA（不同的有限元软件，输出文件的格式可能不同）；MASTA 通过 与有限元软件的接口导入以上三个文件，在运行系统变形分析模块后（此时的变形分析 就是考虑了箱体的变形和异形轴的实际结构对系统的影响），输出齿轮、轴承等零部件 的错位、寿命、损伤率等参数，同时输出凝聚节点的受力和位移文件给有限元软件；有 限元软件在导入该文件后，即可对箱体（或异形轴）进行更准确的分析。 1.2.2MASTA 结构柔性模块操作步骤结构柔性模块操作步骤结构柔性模块操作步骤结构柔性模块操作步骤 一、在 CAD 软件中建立箱体和异型轴的三维实体模型，并保存成 MASTA 软件和 FE 软件所需的文件格式； 二、有限元软件在导入 CAD 模型之后，运行子结构分析，获取凝聚刚度矩阵和节 点位置信息文件； 三、MASTA 软件读取所需文件，运行系统变形分析，并给出计算结果文件，该文 件可以作为有限元软件准确的边界输入条件； 四、验证结果准确性。检查 MASTA 和有限元软件的计算结果是否互相验证，如果 不互相验证，证明操作过程有错误，不宜进行下一步操作。 五、读取 MASTA 软件给出的准确边界条件，运用有限元软件对箱体和异型轴进行 进一步分析。 本手册的讲解过程按照以上操作步骤进行， 读者操作前应该对该步骤有一个详细的 了解，掌握每一步的功用，特别是不同软件之间的数据文件交换情况。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 7 页 共 119 页 1.3 建立建立建立建立 MASTA 及及及及 CAD 模型模型模型模型 1.3.1 建立建立建立建立 MASTA 模型模型模型模型 按照 MASTA 基本模块的操作方法，建立一对齿轮啮合的 MASTA 模型，如下图所 示。文件名为 Example Model. Masta，在所附光盘中。 1.3.2 建立建立建立建立 CAD 模型模型模型模型 在 CAD 软件中建立一个箱体和异形轴的三维实体模型， 本例三维 CAD 软件使用的 是 Pro/e Wildfire 2.0， 其文件名为 housingsmt .prt 和 shaft .prt， 这两个文件在所附光盘中。 箱体的 CAD 模型 异型轴的 CAD 模型 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 8 页 共 119 页 1.4 利用有限元软件得到利用有限元软件得到利用有限元软件得到利用有限元软件得到 MASTA 所需文件所需文件所需文件所需文件 本手册仅以 ANSYS 为例，得到 MASTA 所需的箱体和异型轴的凝聚刚度矩阵和节 点位置信息文件。在有限元软件中需要运行子结构分析才能获取上述两个文件，具体操 作步骤请见本手册第一部分的第二、三章。 1.5 箱体的导入箱体的导入箱体的导入箱体的导入 1.5.1 建立箱体导入命令建立箱体导入命令建立箱体导入命令建立箱体导入命令 打开 Example Model .Masta， 在建模状态下， 选择总成， 点击右键， 添加一个 housing， 如下图所示： 在弹出的对话框中设定该箱体的名称和凝聚节点的数目，点击 OK 完成操作。 *注注注注：凝聚节点的数目凝聚节点的数目凝聚节点的数目凝聚节点的数目可以在此对话框中可以在此对话框中可以在此对话框中可以在此对话框中设置设置设置设置，也可以采用也可以采用也可以采用也可以采用 MASTA 的默认值的默认值的默认值的默认值， 当输入凝聚节点位置当输入凝聚节点位置当输入凝聚节点位置当输入凝聚节点位置信息信息信息信息文件时文件时文件时文件时，MASTA 软件会自动确认凝聚节点的数软件会自动确认凝聚节点的数软件会自动确认凝聚节点的数软件会自动确认凝聚节点的数 目目目目。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 9 页 共 119 页 1.5.2 打开箱体导入打开箱体导入打开箱体导入打开箱体导入操作操作操作操作的引导界面的引导界面的引导界面的引导界面 点击上述所建 housing 的属性，点击 FE Stiffness 栏中的： 弹出如下对话框： 在左上角空白处点击右键，执行添加操作，如下图示： MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 10 页 共 119 页 在弹出的对话框中，定义操作名称，点击 OK。 箱体导入操作的引导界面如下图示： *注注注注： 在有限元软件中我在有限元软件中我在有限元软件中我在有限元软件中我们们们们在对应位置会在对应位置会在对应位置会在对应位置会设定设定设定设定凝聚节点凝聚节点凝聚节点凝聚节点，并提取凝聚节点的位置并提取凝聚节点的位置并提取凝聚节点的位置并提取凝聚节点的位置 信息信息信息信息， MASTA 软件软件软件软件在相在相在相在相应位置也会应位置也会应位置也会应位置也会生成生成生成生成默认默认默认默认节点节点节点节点， 这两个节点在这两个节点在这两个节点在这两个节点在 MASTA 软件的软件的软件的软件的装配命令下要进行装配装配命令下要进行装配装配命令下要进行装配装配命令下要进行装配，所以所以所以所以两两两两节节节节点在空间上要求点在空间上要求点在空间上要求点在空间上要求在一定在一定在一定在一定容差容差容差容差范围范围范围范围 内内内内。在在在在引导界面左侧中部引导界面左侧中部引导界面左侧中部引导界面左侧中部，MASTA 提供径向的和轴向的装配容差提供径向的和轴向的装配容差提供径向的和轴向的装配容差提供径向的和轴向的装配容差范围范围范围范围， 在此容差范围内在此容差范围内在此容差范围内在此容差范围内，MASTA 软件认为软件认为软件认为软件认为在有限元软件中设定的凝聚节点和在有限元软件中设定的凝聚节点和在有限元软件中设定的凝聚节点和在有限元软件中设定的凝聚节点和 MASTA 软件默认的节点软件默认的节点软件默认的节点软件默认的节点是同一点是同一点是同一点是同一点，为了计算准确为了计算准确为了计算准确为了计算准确，建议读者采用软件的建议读者采用软件的建议读者采用软件的建议读者采用软件的 默认值默认值默认值默认值。 在导入箱体时在导入箱体时在导入箱体时在导入箱体时，是否有接地边界条件可以在该框中设置是否有接地边界条件可以在该框中设置是否有接地边界条件可以在该框中设置是否有接地边界条件可以在该框中设置。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 11 页 共 119 页 1.5.3 导入凝聚节点位置信息导入凝聚节点位置信息导入凝聚节点位置信息导入凝聚节点位置信息 首先选取 MASTA 软件的长度单位，使之与 CAD 和 FE 使用的单位相同，本例中 的箱体在建模时使用的是 mm。 点击“Import Node Positions”按钮，在文件类型栏中选择“All Files”，点击凝聚 节点位置信息文件 nodes position。 点击“打开”。 弹出如下所示提示框，说明凝聚节点数据确认成功，点击确定，完成输入。 完成凝聚节点位置文件输入后的引导框： MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 12 页 共 119 页 1.5.4 导入箱体的刚度矩阵导入箱体的刚度矩阵导入箱体的刚度矩阵导入箱体的刚度矩阵 在引导框中点击“Import Stiffness”按钮，在文件类型栏中选择.txt 文件格式。 选择刚度矩阵文件 matrix .txt，点击“打开”。 刚度矩阵导入之后，引导框如下图示： MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 13 页 共 119 页 1.5.5 导入箱体的几何导入箱体的几何导入箱体的几何导入箱体的几何模型模型模型模型 点击“Geometries”按钮，界面如下图示。点击“Add”执行添加箱体几何模型的 操作，选择 CAD 软件保存的箱体.wrl 或.stl 文件（本例以.wrl 文件为例），点击 OK。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 14 页 共 119 页 完成箱体几何模型导入后的界面视图如下： 点击 OK，完成箱体的导入操作，查看三维视图，如下图示： MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 15 页 共 119 页 1.5.6 装配箱体及传动部件装配箱体及传动部件装配箱体及传动部件装配箱体及传动部件 在树型操作栏中根据具体的对应关系通过直接拖动的方法完成装配， 本例中凝聚节 点与轴承之间的对应关系如下： 凝聚节点 16887input rear； 凝聚节点 16888output rear； 凝聚节点 16889output front； 凝聚节点 16890input front。 装配后的系统如下图示，这样就完成了箱体的导入操作。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 16 页 共 119 页 *注注注注：凝聚节点编号与模型在凝聚节点编号与模型在凝聚节点编号与模型在凝聚节点编号与模型在 ANSYS 中划分网格中划分网格中划分网格中划分网格情况情况情况情况有关有关有关有关，请读者请读者请读者请读者按照自己的按照自己的按照自己的按照自己的 设定情况进行装配操作设定情况进行装配操作设定情况进行装配操作设定情况进行装配操作。 1.6 异型轴的导入异型轴的导入异型轴的导入异型轴的导入 MASTA 要求，要导入的回转件必须在一个 Assembly 中。在本例中，输出轴位于 Output Assembly 中。 在树型操作栏中点击 Output Assembly，选择其属性。 点击左侧 Shaft FEA 栏中的，弹出如下对话框： 在左上角对话框中单击右键，指定导入异型轴的名称，点击 OK，其导入操作的引 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 17 页 共 119 页 导界面如下图示： 与箱体导入凝聚刚度矩阵和节点位置信息文件的方法相同， 注意首先要设定正确的 单位，指定所输入的文件类型。 点击“Geometries”，添加异型轴的几何模型。 几何模型添加后的视图如下： MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 18 页 共 119 页 点击 “Geometries”按钮，执行连接操作。选取 Replaced Shafts 栏中的 A Shaft， 如下图所示，在 2D 栏中就会显示 MASTA 中异型轴的模型。 凝聚节点与轴承、齿轮和输出功率之间的对应关系是： 凝聚节点 18614rear Bearing； 凝聚节点 18615front Bearing； 凝聚节点 18616output Power Load； 凝聚节点 18617Wheel。 如下图， 点击 MASTA 中的某轴承， 根据对应关系点击 CAD 中的节点， 点击 “Create Link”按钮，建立这两者之间的连接关系，用同样的方法完成其他节点的连接操作。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 19 页 共 119 页 导入异型轴之后的三维视图如下图示，可以看出，此时的输出轴为我们导入的实际 异型轴。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 20 页 共 119 页 1.7 验证验证验证验证 MASTA 分析分析分析分析结果结果结果结果的的的的准确性准确性准确性准确性 在导入了 CAD 模型和 FE 数据后，直接运行 MASTA 的系统变形分析，就可以得 到整个模型的系统变形分析结果， 此时， MASTA 会给出凝聚节点的受力报告和位移报 告，报告可以保存成 txt 格式文件，导入 FE 软件并运行静力分析，就可以得到箱体的 FE 计算结果。 在系统变形分析的模式下，在树形操作栏中点击 housing，选择载荷谱下的某工况， 在此以工况 1 为例，查看报告，界面如下所示： 界面的上部分是凝聚节点位移和受力情况的计算结果，可以直接读取： MASTA 输出的凝聚节点受力报告和位移报告还可以以.txt 文件格式提供，输出命 令在上图界面的下部，该输出文件可以由 MSC-NASTRAN 和 ANSYS 软件直接读取。 该例我们使用 ANSYS 软件，所以我们输出与 ANSYS 有关的文件。MASTA 提供标准 单位的输出文件和我们现在使用单位的输出文件，直接点击连接，将该文件保存于适当 位置即可。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 21 页 共 119 页 以下是 MASTA 输出的凝聚节点受力文件和位移文件： *注注注注：MASTA 输出文件的单位必须设定为与输出文件的单位必须设定为与输出文件的单位必须设定为与输出文件的单位必须设定为与 CAD 和和和和 FE 的单位的单位的单位的单位相同相同相同相同，否则否则否则否则在验在验在验在验 证结果准确性时证结果准确性时证结果准确性时证结果准确性时，MASTA 的结果会和的结果会和的结果会和的结果会和 FE 的结果产生较大的结果产生较大的结果产生较大的结果产生较大误差误差误差误差。 在 MASTA 中设定单位：点击 View Settings： 点击 Measurements，选择 Angle-Small 设定角度单位，点击选取 Rad（Rad）。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 22 页 共 119 页 长度单位的设定如下图示： 扭矩单位的设定如下图示： MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 23 页 共 119 页 将 ANSYS 软件设定为静态分析（static），点击 Main Menu Preprocessor Solution Analysis Type New Analysis Static： 然后读入上述 MASTA 导出的凝聚节点受力文件，导入方法如下图所示： MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 24 页 共 119 页 此时运行有限元的静力分析，即可得到箱体的有限元分析结果。 以下是有限元分析结果与 MASTA 分析结果的对比（以工况 1 为例）： MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 25 页 共 119 页 由以上数据的比较可以看出，两个软件的计算结果是几乎一样的，这说明它们是彼 此验证的，也说明操作过程没有错误，如果两个软件的计算结果彼此不符，就要仔细检 查是否有操作失误，不宜进行下一步的工作。 异型轴的验证方法与箱体验证方法相同，请读者自己完成。 *注注注注：验证验证验证验证 MASTA 分析结果准确性分析结果准确性分析结果准确性分析结果准确性的时候的时候的时候的时候，读入读入读入读入 MASTA 给出的给出的给出的给出的受受受受力文件来验力文件来验力文件来验力文件来验 证位移证位移证位移证位移之间的差别之间的差别之间的差别之间的差别，或者或者或者或者读入读入读入读入 MASTA 给出的位移给出的位移给出的位移给出的位移文件来验证文件来验证文件来验证文件来验证受受受受力力力力之间的之间的之间的之间的 差别差别差别差别，在原理上在原理上在原理上在原理上都是可以的都是可以的都是可以的都是可以的，但是为了在但是为了在但是为了在但是为了在 ANSYS 软件中查看结果的方便软件中查看结果的方便软件中查看结果的方便软件中查看结果的方便， 建议验证箱体时导入建议验证箱体时导入建议验证箱体时导入建议验证箱体时导入凝聚节点的受力凝聚节点的受力凝聚节点的受力凝聚节点的受力文件来验证位移文件来验证位移文件来验证位移文件来验证位移之间的差别之间的差别之间的差别之间的差别，验证验证验证验证异异异异 型轴时导入型轴时导入型轴时导入型轴时导入凝聚节点的凝聚节点的凝聚节点的凝聚节点的位移文件来验证位移文件来验证位移文件来验证位移文件来验证受受受受力力力力之间的差别之间的差别之间的差别之间的差别。 1.8MASTA 系统变形分析结果系统变形分析结果系统变形分析结果系统变形分析结果及及及及其其其其对比对比对比对比 在 MASTA 中按照基本模块的方法运行系统变形分析， 可以在树形操作栏中选取总 成、部件或零件，点击 Report 来查看分析报告，请参见 MASTA 基本模块培训手册。 下面我们着重关注箱体和异型轴对内部传动系统的影响，在此基础上总结出 MASTA 结构柔性模块在整个设计开发过程中的典型使用方法及其重要作用。 1.8.1 考虑考虑考虑考虑箱体和异型箱体和异型箱体和异型箱体和异型轴轴轴轴的实际的实际的实际的实际刚度刚度刚度刚度对对对对系统系统系统系统变形变形变形变形分析的重要性分析的重要性分析的重要性分析的重要性 在 MASTA 软件模式工具栏中点击载荷谱设定按钮，在 Duty Cycles 栏中选择 All，点击右键，复制载荷谱，操作如下： 在如下弹出的提示框内按下图所示进行设置： MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 26 页 共 119 页 *注注注注：该提示框该提示框该提示框该提示框各设定各设定各设定各设定选项选项选项选项的的的的功能功能功能功能：New Duty Cycle Name 为所复制载荷谱的名为所复制载荷谱的名为所复制载荷谱的名为所复制载荷谱的名 称称称称；Load Cases Prefix 为为为为设定该载荷谱下工况的前缀设定该载荷谱下工况的前缀设定该载荷谱下工况的前缀设定该载荷谱下工况的前缀；Cases Postfix 为为为为设设设设 定该载荷谱下工况的后缀定该载荷谱下工况的后缀定该载荷谱下工况的后缀定该载荷谱下工况的后缀。 如图点击如图点击如图点击如图点击 NO FE 既不考虑箱体和异型轴既不考虑箱体和异型轴既不考虑箱体和异型轴既不考虑箱体和异型轴实际实际实际实际刚度刚度刚度刚度时的载荷谱时的载荷谱时的载荷谱时的载荷谱工况工况工况工况， 分别在分别在分别在分别在 Housing 和和和和 Advanced Shaft FEA 栏中栏中栏中栏中，取消取消取消取消 Active 选项选项选项选项，箱体和异型轴没箱体和异型轴没箱体和异型轴没箱体和异型轴没 有被激活有被激活有被激活有被激活，此时此时此时此时运行运行运行运行系统变形系统变形系统变形系统变形分析分析分析分析时时时时 MASTA 软件并不考虑二者软件并不考虑二者软件并不考虑二者软件并不考虑二者实际刚度实际刚度实际刚度实际刚度 的影响的影响的影响的影响。 运行系统变形分析。点击，右击载荷谱点击 run，如下图示： MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 27 页 共 119 页 在树形操作栏中点击选取齿轮副，查看全部载荷谱下的报告，小齿轮损伤率的对比 报告如下： 大齿轮损伤率的对比报告： MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 28 页 共 119 页 齿轮副错位量的对比报告： 从以上报告可以看出：对于本例来讲，是否考虑箱体和异形轴实际刚度的影响对于 齿轮的损伤率和错位量影响是非常大的。对于工况 1，小齿轮的损伤率从 14.48%上升到 233.43%，大齿轮的损伤率从 6.29%上升到 101.36%，齿轮副的错位量从-4.8m上升到 -80.5m。 很显然，由以上结果可以直观的看出：考虑箱体和异型轴的影响与不考虑它们的影 响，对于计算结果的合理性有着直接影响，因此，MASTA 结构柔性模块在设计分析过 程中有着非常重要的作用。 对于轴承，在没有导入箱体时，认为与轴承外圈相连的箱体的刚度为无穷大，即轴 承外圈不动。导入实际箱体之后，轴承的外圈随箱体变化，与箱体的实际刚度有关。 以工况 1 为例，未导入箱体时的轴承受力和位移报告： MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 29 页 共 119 页 导入箱体后的轴承受力和位移报告： 由上图可以看出：未考虑箱体实际刚度时，轴承外圈的变形量全部为零，而考虑箱 体之后其变形量受到箱体的影响， 随箱体发生变形， 这些位移对于内部系统有直接影响。 受力及变形结果读者可以自行查看。 1.8.2 箱体和异型轴对箱体和异型轴对箱体和异型轴对箱体和异型轴对内部传动系统内部传动系统内部传动系统内部传动系统的的的的影响程度影响程度影响程度影响程度 MASTA 软件可以通过载荷谱的设置，结合方便有效的箱体和异型轴激活选项，可 以直观的考查二者对内部传动系统的影响程度，有利于我们找出影响的主要因素，方便 我们对危险零部件进行重点的设计分析，减少设计开发的盲目性。 按照上面所提到的方法复制载荷谱，其中一个载荷谱只激活箱体，一个只激活异型 轴，设定之后的载荷谱如下所示： MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 30 页 共 119 页 运行系统变形分析，查看异型轴对小齿轮损伤率的影响： 异型轴对大齿轮损伤率的影响： 上图分别为不考虑箱体和异型轴影响和只考虑异型轴影响时， 大小齿轮的损伤率对 比表， 从表中我们可以看到： 对于工况 1， 不考虑二者影响时的小齿轮损伤率为 14.48%， 考虑异形轴后的小齿轮损伤率为 221.91%，大齿轮损伤率也由 6.29%上升为 96.36%。 对于错位量异型轴的影响也是相当大的： 由上表：对于工况 1，不考虑二者影响时错位量为-4.8m，考虑异形轴实际刚度后 的错位量为-78.8m，影响很大。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 31 页 共 119 页 下面我们看只考虑箱体时的齿轮副损伤率和错位量的对比报告。 小齿轮损伤率的对比报告： 大齿轮损伤率的对比报告： 齿轮副错位量的对比报告： 小齿轮损伤率仅由 14.48%上升为 15.49%，大齿轮损伤率仅由 6.29%上升为 6.72%， 齿轮副的错位量仅由-4.8m上升为-6.2m，可见箱体对齿轮副的影响很小。 由以上数据可以直观的判定，本例中异型轴是主要影响因素，应对其进行重点的改 进设计，在该异型轴上打 6-18 的孔，对齿轮刚度削弱太大了。箱体对系统的影响是 很小的，用此种方法也可以判定零部件是否过设计，这对于节约成本、使产品轻型化、 提高产品竞争力等都有很重要的作用。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 32 页 共 119 页 1.8.3 箱体和异型轴箱体和异型轴箱体和异型轴箱体和异型轴的最优化的最优化的最优化的最优化设计设计设计设计 在通常设计开发中，为了使箱体和异型轴的刚度对系统的影响尽量小，一般在两者 的设计时要留出一定的余量， 而采用 MASTA 结构柔性模块后即可快速有效的计算出符 合我们设计标准的零部件临界状态，例如本例中箱体的壁厚、异型轴轮副打孔的大小和 数目等。 读者可以在 CAD 软件中建立不同的模型， 通过上述所讲解的步骤， 在 MASTA 软件中进行反复运算，通过结果的直观对比得出结论，在此仅以异型轴为例，在 CAD 软件中将轴的孔改为 6-15，同样采用以上操作方法进行运算。 在采用 6-18 异型轴时，对小齿轮损伤率和齿轮副错位量影响的对比结果如下： 在采用 6-15 异形轴时，对小齿轮损伤率及齿轮副错位量影响的对比结果如下： MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 33 页 共 119 页 由以上数据对比可以看出：当异型轴的孔减小时，它对系统的影响也相应减小，对 于工况 1， 小齿轮损伤率由未修改前的 221.91%降为 185.45%，齿轮副错位量由-78.8m 降到-72.9m，这是由于孔的减小提高了异型轴刚度的原因，不过损伤率结果还是不理 想，可以通过改变孔的数量或增加轮辐厚度等方法来进一步提高异型轴的刚度，把它对 内部系统的影响控制在期望的设计范围之内，读者可按此方法自行完成。 1.9 为为为为有限元软件有限元软件有限元软件有限元软件提供准确的边界条件提供准确的边界条件提供准确的边界条件提供准确的边界条件 MASTA 导出的凝聚节点受力和位移文件是有限元软件进一步对箱体和异形轴进行 分析的准确边界条件， 运行有限元软件的静力分析即可得到我们关心的箱体和异形轴参 数，如最大应力值及其位置、最大变形量及其位置等。 下图为箱体在有限元软件中分析后的应力云图和位移云图： MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 34 页 共 119 页 从图中可以直观的得到箱体的最大应力点及数值，最大位移点及数值，值得注意的 是，在有限元软件中得到的这些结果，是读入 MASTA 软件给出的准确边界条件后得到 的。 异型轴在有限元软件中的分析请读者自行完成。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 35 页 共 119 页 第二章第二章第二章第二章 箱体箱体箱体箱体的刚度矩阵和节点信息提取的刚度矩阵和节点信息提取的刚度矩阵和节点信息提取的刚度矩阵和节点信息提取 为了得到凝聚刚度矩阵和节点位置信息文件，我们需要借助于有限元软件， 具体操作方法可以分为如下几个步骤： 一、 导入 CAD 几何模型， 定义使用的单位和材料参数， 本章中的例子在 CAD 软件中建模采用的单位为 mm， 材料为钢， 对应的具体参数为 E=2.07E5， =0.27， =7.8E-9； 二、对导入的几何模型进行网格划分； 三、检查网格划分是否合理； 四、用螺栓连接各部件（对于单件，此步可省略。对螺栓连接的具体处理方 法请见本手册第二部分第一章）； 五、确定模型的接地边界条件（对于异形轴，此步可省略）； 六、设定凝聚节点。一般来说，所有受力点都应设置成凝聚节点，如：与轴 承和功率输入或输出点相对应的位置、齿轮、行星架上的销轴孔、受外加载荷的 部位、驱动桥上承受车架重量位置等； 七、运行子结构分析。得到凝聚刚度矩阵和节点位置信息文件，保存这两个 文件以备 MASTA 使用。 2.1 导入箱体的几何模型导入箱体的几何模型导入箱体的几何模型导入箱体的几何模型 ANSYS 支持多种几何文件格式：IGES、STEP、PRO/E 等。这里我们以导入 IGES 格式文件为例，其他文件格式的导入与此类似。点击 File Import IGES，按默认设置 进行导入。 箱体几何模型导入后的图形如下所示： MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 36 页 共 119 页 2.2 网格划分网格划分网格划分网格划分 2.2.1 选取单元类型选取单元类型选取单元类型选取单元类型 点击 Main menuPreprocessorAdd/Edit/Delete，弹出 Element Types 对话框，点击 “Add”。 在单元类型库中选取 Structural Mass 中的 Solid - Tet 10node 187 单元（十节点四面 体实体单元），点击 OK。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 37 页 共 119 页 选择完毕后关闭 Element Types 对话框。 2.2.2 定义材料属性定义材料属性定义材料属性定义材料属性 点击 Main menuPreprocessorMaterial Props Material Models，弹出 Define Material Model Behavior 对话框，依次点击 StructuralLinearElasticIsotropic，弹出 下图对话框，设定材料的弹性模量和泊松比，点击 OK。 点击 StructuralDensity，输入材料的密度，点击 OK 完成操作。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 38 页 共 119 页 点击 MaterialExit 退出。 2.2.3 划分网格划分网格划分网格划分网格 点击 Main menuPreprocessorMeshing Mesh Tool， 弹出 Mesh Tool 对话框， 点 击 Smart Size，选择智能划分网格，点击“mesh”，弹出 Mesh Volumes 对话框，ANSYS 会提示选取所要划分网格的实体，此处可以点击“Pick All”，执行网格划分操作。 划分网格之后的箱体模型如下图所示： MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 39 页 共 119 页 2.2.4 检查网格划分的合理性检查网格划分的合理性检查网格划分的合理性检查网格划分的合理性 检查网格划分的合理性我们通常采用模态分析的方法。点击 Main menu Solution Analysis Type New Analysis，在弹出的对话框中选择 Modal（模态分析），如下图， 点击 OK。 点击 Main menu Solution Analysis Type Analysis Options。在输出模态数量栏中 填入 10，即提取箱体的 10 阶模态，其他选项采取默认设置，点击 OK。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 40 页 共 119 页 如下在接下来弹出的对话框中采取默认设置，点击 OK。 运行模态分析：点击 Main menu Solution Solve Current LS，点击 OK 开始分析 运算。 查看结果：点击 Main menu General Postproc Read Results By Pick。由于箱体没 有固定，结果中将有六个刚体模态并且频率等于或接近于 0，因此，第一阶弯曲模态应 该是第 7 阶，在结果的框中选取第 7 阶模态，点击“Read” ，然后点击“Close”关闭 对话框。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 41 页 共 119 页 查看模态总位移云图。点击 Main menu General Postproc Plot Result Contour Plot DOF Solution，选择总位移，点击 OK，箱体的第 7 阶模态总位移云图如下所示。 2.3 设定箱设定箱设定箱设定箱体接地边界条件体接地边界条件体接地边界条件体接地边界条件 点击 Main menuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Areas，选取箱体底面，点击 OK，选择 AII DOF（全约束）完成操作。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 42 页 共 119 页 2.4 设定凝聚节点设定凝聚节点设定凝聚节点设定凝聚节点 点击 Main menuPreprocessorModelingCreateContact Pair，弹出 Contact Manager 对话框，点击 Contact Wizard按钮。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 43 页 共 119 页 在 Target Type 项下选取 Pilot Node（引导节点），点击“Next”。 按下图所示，定义凝聚节点名称，点击“Next”。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 44 页 共 119 页 选取点-面接触类型（Node-to-surface），点击“Pick Contact”。 选取所要凝聚的某一轴承孔的表面，如下图示，点击 OK。 将接触表面约束类型 Constraint Surface Type 选项设为刚性约束 Rigid constraint。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 45 页 共 119 页 点击“Create”，生成凝聚节点。 点击“Finish”完成操作。 按以上方法完成四个轴承孔的凝聚节点设定 （记住凝聚节点与所要装配轴承孔之间 的对应关系，以便在 MASTA 中进行装配）。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 46 页 共 119 页 2.5 运行子结构分析提取刚度矩阵和节点位置信息运行子结构分析提取刚度矩阵和节点位置信息运行子结构分析提取刚度矩阵和节点位置信息运行子结构分析提取刚度矩阵和节点位置信息 点击 Main menuSolutionAnalysis TypeSubstructuring/CMS 点击 Main menuSolutionAnalysis Options，选取 Substructuring 选项，点击 OK。 在弹出的对话框内的 Items to be printed 项中选取 LoadVect+Matrix，点击 OK。 定义主节点。Main menuSolutionMaster DOFsUser SelectedDefine，选取四 个凝聚节点，在对话框中显示为 4，点击 OK。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 47 页 共 119 页 选择 AII DOF，点击 OK 完成操作。 查看节点信息 Main menuSolutionMaster DOFsUser SelectedList All。 （此步 主要是查看主节点是否选取正确，主节点应该是所设定的有关凝聚节点） MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 48 页 共 119 页 运行子结构分析 Main menuSolutionSolveCurrent LS。FileExit，点击 OK 进 行运算。 计算结束后点击下图的 Close。 以上就完成了箱体的子结构分析操作。下面读取结果，把 ANSYS 输出的凝聚刚度 矩阵保存为.txt 文件，节点位置信息保存为.lis 文件。 在 ANSYS 的输出窗口中（如下图所示），点击鼠标右键，选择标记，如下图： MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 49 页 共 119 页 拖动左键选定刚度矩阵： 点击键盘的 Enter 键，在记事本中进行粘贴操作，保存。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 50 页 共 119 页 点击 ListPicked Entities，选取四个凝聚节点，点击 OK，ANSYS 给出下列节点位 置信息的对话框： 点击 FileSave as，保存，完毕。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 51 页 共 119 页 第三章第三章第三章第三章 异形轴异形轴异形轴异形轴的的的的刚度矩阵和节点信息提取刚度矩阵和节点信息提取刚度矩阵和节点信息提取刚度矩阵和节点信息提取 在 ANSYS 中提取异形轴的凝聚刚度矩阵和节点位置信息的方法与提取箱体的操作 方法相似，这里我们着重关注二者的不同之处。另外轮辐的直径一般按以下原则确定： 齿顶圆直径与齿根圆直径之和除以 2。 3.1 导入异形轴的几何模型导入异形轴的几何模型导入异形轴的几何模型导入异形轴的几何模型 3.2 网格划分网格划分网格划分网格划分 选择与箱体分析中相同的单元类型和材料属性，并且采用相同的方法来划分网格， 划分之后的异形轴有限元模型如下所示。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 52 页 共 119 页 划分网格时，我们关心的表面要划分的精细一些，不关心的部位可以划分的略粗一 些，可见上图划分的网格在异形轴轮辐表面很粗糙。单纯采用提高精度的方法并不能完 全解决问题。应该把我们关心的表面在智能划分网格之前进行定义。 在 Mesh Tool 框中 Size Controls 项下设定 Areas 的单元尺寸， 点击 “Set” 进行设置。 选择如下图所示的轮辐两个表面，点击 OK。 在单元尺寸设定栏中填入 4，点击 OK。 MASTA 结构柔性模块培训手册（ANSYS） 第 53 页 共 119 页 在 Mesh Tool 框中点击“Mesh”，执行网格划分，网格划分后的异形轴有限元模型 如下所示： 为检查网格划分的合理性，与箱体相同，采用模态分析的方法，下图为该异形轴的 8 阶模态总位移云图。 3.3 边界条件边界条件边界条件边界条件 与箱体不同的是异形轴在通常使用情况下是不固定的， 因此异形轴在分析过程中也 不需要任何固定边界条件。