摘要
本文首先扼要得为大家介绍了联轴器的性能、功用、分类和有限元方法。接下来分别简要介绍凸缘联轴器和十字轴式万向联轴器的优缺点，接着完成开始有限元分析的前期准备，准备好两种联轴器的二维图形的尺寸，根据准备好的尺寸图开始在Proe中建立两种联轴器的三维建模。然后准备用Ansys开始有限元分析，再把三维模型导入Ansys，施加载荷后着手开始有限元静力分析，在过程中记录下分析过程，截图及分析步骤。最后求解分别获得其应力应变分布情况，同时对两种联轴器开始了强度校核。结果证明凸缘联轴器十字轴式万向联轴器的设计是符合强度要求的联轴器。至此，文章圆满完成起初研究的目的。
关键词：联轴器 Pro/E ANSYS
ABSTRACT
Firstly, this article briefly describes the couplings performance、function、classification and the finite element method. Next,this article briefly describe the flange couplings and cross shaft universal couplings advantages and disadvantages respectively,then I start to complete the preparation for the finite element analysis、 the size of the coupling of two ready-dimensional graphics, and begin to build three-dimensional modeling based on the coupling of two dimensional drawing prepared in Proe 。Then we are ready to start using Ansys finite element analysis and importing the three-dimensional model into Ansys.We start to applied load, and then embarked on finite element static analysis.In this process, We should record the process under analysis, and the screen shots of the analysis step . Finally, we obtained the stress and strain distribution of the model by solving ,meanwhile, we checked the strength of the two couplings.The results show that the flange couplings and the cross shaft universal couplings are designed to meet the strength requirements of the couplings. Thus,the article successfully complete the initial purpose of the study .
Keywords:Coupling; Pro/E ; ANSYS
目录
引言 ................................................................................................................................................. 1
第1章 ANSYS软件及其应用 ..................................................................................................... 3
1.1ANSYS界面、技术种类 .................................................................................................. 3
1.2分析类型 ........................................................................................................................... 3
1.3处理模块 ........................................................................................................................... 5
第2章 凸缘联轴器 ..................................................................................................................... 7
2.1凸缘联轴器的简介 ........................................................................................................... 7
2.3凸缘联轴器的三维模型建立 ........................................................................................... 8
2.4对凸缘联轴器的三维图形开始有限元分析 ................................................................. 11
2.4.1三维图形导入ANSYS ........................................................................................ 11
2.4.3划分网格 .............................................................................................................. 13
2.4.4施加载荷 .............................................................................................................. 14
2.4.5开始求解 .............................................................................................................. 15
2.4.6查看求解结果 ...................................................................................................... 16
第3章 十字轴式万向联轴器 ................................................................................................... 19
3.1十字万向联轴器的简介 ................................................................................................. 19
3.2十字轴式万向联轴器的实体模型及二维尺寸图形 ..................................................... 20
3.3三维模型建立过程 ......................................................................................................... 20
3.4对十字轴式万向联轴器的三维图形开始有限元分析 ................................................. 22
3.4.1三维图形导入ANSYS ........................................................................................ 22
3.4.2定义类型、材料等 .............................................................................................. 22
3.4.3划分网格 .............................................................................................................. 23
3.4.4定义边界类型及施加载荷 .................................................................................. 24
3.4.5开始求解 .............................................................................................................. 25
3.4.6查看求解结果 ...................................................................................................... 25
结束语 ........................................................................................................................................... 29
参考文献 ....................................................................................................................................... 30
致谢 ............................................................................................................................................... 31
引言
1.1联轴器性能、功用及分类
它是一种常见的轴系零件在机械传动系统中，其基本功能是用于两个连接（有时也用于链接和其他旋转部分），并能传递运动和转矩。
联轴器的可用的方面是很广的，遍布众多的领域，它的种类非常多多，数量极其大的基本的部件。相比于齿轮传动，带传动和一系列的传动机构，传动机构耦合具有着非常特殊的功能，不是其他机制可代替的。我们需要把一根轴上的扭矩/转速用较大的轴与轴之间的夹角传送到距离比较远，角度有可能随时变化的另外一根轴的时候，一般只可能选择联轴器传动来实现这类传送。
联轴器的种类是非常多的，而且它的使用范围也随时间慢慢变广，并且一直不断地被更新换代。如果是按照传递转矩来看的话，它可以分为大的和小的两种；如果在与速度特性一致，可分为非恒定型，准恒定型，速度型；在正常情况下，根据其没有赔偿能力的相对位移，可分为刚性、弹性联轴器，两种联轴器。其中刚性联轴器，有相对位移补偿能力，和刚性联轴器是由刚性部件，但也没有阻尼，这种用在两个联轴器连接，极其严厉的对中、载荷平稳的场合下；有阻尼弹性耦合能力，适用于两个耦合的严谨在负载平衡的场合下；由于弹性耦合是一个灵活的，不仅可以弥补相对位移和阻尼功能，也可以同时为了防止传动轴系过载引起损坏的零件的安全装置。
1.2有限元方法
利用有限元的方式来合理分析静或动态的物理体系便是可以叫做有限元分析。在这种方法中，一个物体或者系统可以分解为相互联系，由简单的几何模型，独立点组成便可以。这个方法内部的单独点的数目是非常有限的，所以叫做有限元。从实际的物理模型里得到的方程式应用于每点上，因此出现了一个方程组。该方程可用于求解线生成方法。但有限元分析结果的准确度是不受限制的增加的。当单元的数目达到一定的高度的时候，得到解决方案，将不会提高精度，所以只有计算时间是一直不断提高的。
FEA目前已被广泛应用，现在作为每年创造多达几十亿美金的基础。运用有限元分析的寻常方法，可以得到非常繁琐的应力问题的数量解。这个方法非常重要，即使是这些类仅仅论述初学级别的材料力学之类的模块，也应概述它的重要特征。 当然，不论该法是多么的效果显著，一旦当我们用这个或者相关方法的时候，电脑得出的解的不足之处一定要紧记心头，既解可能不定能够表面各类材质的性能，几何特征之一系列的重点变化量是
怎么作用于应力。否则的话，输进去的式错误的数据，输出的结果就会相差很大，但是作为来分析的人是很难觉出来的。所以让设计直觉变得敏捷是建立模型的非常重要的作用。用户使用有限元程序，就该以这个目的来准备方法，用最多的密封的解以及实验的分析过程补充计算机仿真。 相比于现代微机里面的大量软件包，有限元的程序不那么繁琐。但是，即使这样程序的繁琐程度任然使得大多用户没有办法有效率地开始程序编写。所以可以买一些之前编程好的商用程序，而且价格合适，由微机至超级计算机都是可以使用的。但式那些有特殊需要的用户们，不用对所需程序的编程望而生畏望而却步，可以发现，从一些课本教材里方便的编程可用作起步。大多数的有限元软件用FORTRAN处理文字，喜欢感觉更新程序用C语言编写的，或其他实时更新程序的语言。
第1章 ANSYS软件及其应用
1.1ANSYS界面、技术种类
把流动体、构造、磁/声场及耦合剖析融会在一个整体里面的超级有限元分析软件便是ANSYS。该应用型软件是由世上最大的有限元分析软件公司研发出来的，可以和多数CAD类型的软件实现对接，充沛实现各类数据的分享和互换，如ALGOR/CAD的自动实现，作为一个现代产品设计的先进的CAE方法。所以它可以用在下列各领域：汽车，航空，航天，生物医学，桥梁，建筑，电子，机械，等。
图1.1 打开ANSYS 图1.2 ANSYS初始界面
该应用软件大概由三块小部分组成：首先是前期处置部分，而后是剖析计算部分，最终是后期处置部分。
前方的前期处置模块便利地壮大了实际物体的立体建模和进行网格划分的步骤，是以我们就能够非常容易地创建出需要开始剖析的有限元模型；
随后的剖析计算部分蕴含构造剖析、流动体动力剖析、磁场/声场的剖析、压电/多种物理场的耦合剖析，也可以仿制出各式各样的不同物质间的的交互的作用，具备极高的剖析和优化剖析的实力；
最后面的后处理模块能够把得出的结果图用彩色的等值线表示、梯度表示、矢量表示、粒子流迹表示、立体切片表示、透明和半透明表示（这种表示方法可以看到物体的结构内部）等图形方式表示出来，当然，用图表、曲线形式表示出计算结果也是可以的。
该软件方便了一百种还多的单元格类型，可以用它们来模仿出工程中的各种各样的结构和材料。软件有许许多多不同的版本，可以把这些类型从个人计算机到大型计算机运行多个设备。
1.2分析类型
（1）.结构静力分析
用以解决外部载荷引发的位移、应力和力带来的影响。并且静力分析是非常适合求惯性力和阻尼对于结构所带来的影响不是很明显的问题。在ANSYS软件程序静态分析不仅可用于线性分析，非线性分析的是可以解决的，如塑性分析，大变形分析，分析，大应变分析和接触分析的扩展。
（2）.结构动力学分析
结构动态分析与结构或构件的功能的加载时间变化的方法解决。但是这个方法和静力分析是不同的，动力分析的过程需要考虑的是随着时间而变化的力，它也可以解决阻尼和惯性带来的影响。ANSYS工具能够解决的构造动力学的剖析的范例蕴含：瞬间的动力学剖析、模态的剖析、谐波反映的剖析和随意震动的反映剖析。
（3）.结构非线性分析
改变结构的非线性响应往往导致结构或构件与外部负载和显示不成比例。ANSYS程序蕴含原料的不是线性的、几何的不是线性和单位的不是线性三个类型。
（4）.动力学分析
ANSYS应用软件也能够用来剖析超级立体柔体活动范例。运动积累起着重要的作用，可以使用此功能的繁琐复杂结构的运动特征，从而确定结构的应力，应变和变形。
（5）.热分析
可用来解决热传递中传导、对流和辐射三种类型。而且热传送的这三中范例都是能够开始进行稳定状态和瞬时状态、线性及不是线性分析的范例。同时，相变热分析可以解决模拟材料的鸣鼓和融化过程的分析能力，并且还可以解决结构应力的仿真，热结构的耦合分析。
（6）.电磁场分析
大部分是用来解决电磁问题，如电感，电容，磁通密度，电场，磁场分析，应力，电路和能量损失等问题。当然，也可用在一些调节装置、发电的机器、变换的机器、电解的漕池和没有损失的检测装配等的一系列的的计划和剖析规模。
（7）.流体动力学分析
ANSYS应用软件的流动立体的单位能够用来剖析流动立体的动力学，此种的剖析范例不妨为瞬时状态或稳定状态。得出的剖析后果便是每个节点的压力和每个单位的流体速率。这些都能够使用后面的处置功效，随之发生压力、流体速率和温度大小的分布的图示。此外，我们还可以使用的单位和热流单位流体表面效应模拟在管结构的流。
（8）.声场分析
声学功能的程序，可以用来研究含流体介质中声波的传播，或在液体中浸没固体结构的动态性能特性分析。所有此类功效能够用以确定声响、麦克风的频率反映，探讨音乐艺术大厅的声音场合强度的散布，或预测出水对波动中的船体的阻尼的效应。
（9）.压电分析
这种能够用来分析平面或立体的结构对交换流、直接流或随心跟着时段的变革的电流/机器载荷的响应放映出的问题。也可分析交换热器、谐振的机器、话筒之类的有关部件及别的电子设备的构造动作状态的机能。四种类型可以开始进行分析：静态分析、模态分析、瞬态响应分析、谐波响应分析。
1.3处理模块
（1）实体建模
ANSYS应用程序具有两种创建实物立体模型的方法：一是从上部向下建立，二是从底部开始向上面建立。使用自上而下的方法时，实体建模作为用户要开始的步骤，首先shiite定义一个模型的高级图元，来确定其先进的功能，随后该应用程序把会主动开始界说与之有关系的面，线和关键的点等。所以我们就可以使用这些先进的高级元定义直接构造几何模型。作为我们用户，不论是利用从上面向下部的法子还是从底部向上面的法子来建立模型，都可以通过布尔运算配合的数据，随之就可以创建起一个我们想要的实体模子。而作为ANSYS程序则完整地方便了所需的布尔运算。所以在开始建立繁琐的实物立体的模型时，对线、面、体等基元的操作步骤能减少非常多的建模工作。此外，ANSYS程序也方便运输，延伸，旋转，移动和一系列的模型元素的功能。另外，还有很多的附加的功能。
（2）网格划分
该流程便利的了利用方便、较高的质量的对一些CAD模子开始进行划分出来网格的功效。划分网格是由四种方法，扩展了网格划分，网格图形，自由网格划分和网格自适应组成。扩展网格的方法是一个平面网格扩展到立体的网格。对于图像的网格划分方法允许我们用户把几何模型分解为若干部分很简单，然后根据选择的单元属性和网格的控制权，最后生成的图像网格。而于自由网格区分器来说，它的功能是非常大的，能够对繁琐模子实行直截了当的划分，这样一来就免去我们用户对各个局部各自进行划分，然后解决组装零件生成网格不匹配的问题。对于主动适应网格划分的法子是指有了具备了临界条件的实物立体的模子后，作为我们的用户基本指示流程主动地就能够生成有限元网格，然后剖析、估量网格的离散误差，继而来重新界说网格巨细，再次，分析，估计误差网格，直到误差小于我们用户定义的值或一个用户定义的要求。
（3）载荷类型
有限元软件，外部负载是不是在分析领域相同的特性是不一样的，但大体上可分为六类：
1）自由度约束（DOF ）：对于已经给定的自由度可用已知的量来表示。比如，于构造剖析中的管制说的是指相对位移和与之对称的边界的条件，但热力学剖析中一般讲的是温度和热量通量的平行的边界条件。
2）力（FORCE）：讲的是指集中载荷的节点或载荷的大小的边界的实体模型。比如构
造剖析里面的力以及力矩的大小，在热力剖析中的热流体速度的大小，也可以是各种磁场剖析中的电流时段。
3）表面负荷（SURFACE LOAD）：是指分布载荷施加在一个平面。压力分布，如结构分析，有对流的热力学分析和热通量。
4）立体载荷（BODY LOAD）：是指一个量或在一个坚实的领域模型的负荷。例如，考虑重力，有热产生率的热分析。
5）惯性载荷（INERTIA LOADS）：指的是因为物体的质量产生的惯性而引起的载荷。例如讲重力加速度引起的惯性力等引起的载荷。
6）耦合场载荷（COUPIED-FIELD LOADS）：这是一个特殊的负载，需要分析的结果，其结果是作为负载的一个额外的分析。例如，磁场力分析是结构分析计算的解决。
第2章 凸缘联轴器
2.1凸缘联轴器的简介
（1）凸缘联轴器的概述
对凸缘联轴器的话就是属于刚性联轴器的范畴之内，经过用两个带着法兰的一半的联轴器用通俗的平键各自与这两个轴对接，继而再使几个螺栓将这两个半联轴器连在一起，用来传递运动和转矩。像此类联轴器一般是结构形式有两种：第一就是通过铰制孔用螺栓来完成两根轴对于通过螺栓杆担受挤压力与剪切力而来传递转矩；第二是通过一个半联轴器上的凸肩去与另一个的凹槽相互配合从而取得对中。
（2）凸缘联轴器的材料、优缺点等
一般耦合材料可以用灰铸铁或刚，如果是在重负荷或循环速度大于30米/秒时，应该使用铸钢或锻钢。对于中性轴的要求是很高的，但是它的主要缺点是，当两个一致的位移的存在，会有部分的恶化引起的附加载荷和工作条件。
（3）凸缘联轴器的特点
凸缘联轴器的法兰半联轴器，使用两个平键分别于两个关键的耦合连接，完成两个连接，传递转矩和运动等。对于我们平常使用来说，凸缘联轴器的构造容易，制造简单，所以前期要花的成本分本相当少，当它发挥作用的时候却非常好用，出现毛病的时候也容易修理，并且工作的时候能够传送较多的转矩，确保精度的大小，经常使用在安稳载荷的时候，高速，高精度轴传动。法兰式联轴器是缺少纵向、轴向和角向赔偿性的能力的，行使过程中若是没法确保精度的大小，就会减低联轴器的使用时间长短、传动的精确度和传动的效率大小，并引起振动和噪声。
2.2
凸缘联轴器模型
图2.1 凸缘联轴器的实体模型 图2.2 凸缘联轴器的二维尺寸图
半联轴器的外环是四个12.2mm直径小孔，半联轴器外径120mm，内直径32mm，采用
7
32mm直径轴。已知联轴器的转速为8500r/min，传递功率340kw 。本章将会使用静态有限元分析法计算耦合应力分布不足。
2.3凸缘联轴器的三维模型建立
首先，在三维图形软件ProE建立铰孔凸缘联轴器的半联轴器。
图2.3 新建绘图环境 图2.4 设置草绘界面一
在Proe中新建一个绘图环境来放置图形，然后根据需要来设置合适的草绘界面，便于作图，根据所用的二维图形的尺寸来开始开始图形绘制。
图2.5 拉伸一 图2.6 设置草绘界面二
开始实体拉伸一，如图2.5，需要再设置一个草绘界面，如图2.6，然后选取草绘的平面，如图2.7所示，绘制完成后开始开始实体二的拉伸，输入拉伸长度，完成拉伸。
8
图2.7 选择将要进行草绘的平面 图2.8 开始进行实体拉伸二
图2.9 选取曲面、轴或点来放置孔 图2.10 完成抽孔
开始开始抽孔，首先选取合适的地方来放置所需的孔，输入尺寸后，完成抽孔命令。
图2.11 阵列命令各选项 图2.12 阵列示意图
对所抽的孔开始阵列步骤，选取阵列各个命令，角度及个数，如图2.11所示。并开始开始阵列，如图2.12所示。
9
图2.13 阵列完成 图3.14 抽取中间轴
开始抽取中间轴的孔，选项如图2.11所示，然后开始开始抽取。
图2.15 绘制键槽平面图形
图2.16 键槽拉伸示意图 图2.17 键槽拉伸完成
最后开始键槽的拉伸，选择草绘平面，先绘制完成后如图2.16所示，然后开始拉伸，如图2.17所示。
10
图2.18 凸缘联轴器半轴器完成并着色
2.4对凸缘联轴器的三维图形开始有限元分析
2.4.1三维图形导入ANSYS
把在PROE制图软件中已经绘制完成的三维图形，另存为IGES格式，然后来实现导入到ANSYS中的步骤。
根据三维图形软件画出来的半联轴器，在分析的过程中，四个螺钉孔分析，半面与固定侧施加一个力，表面上的槽。已知功率P为380kw，转矩为460 N/m，配合的轴的直径为32mm。有限元分析的过程如下各图所示。
11
图2.19 导入ANSYS的命令菜单 图2.20选择由PROE转化成的IGES格式的文件
图2.21 图形顺利导入ANSYS
2.4.2定义类型、材料等
设置分析类型为静力分析，定义单元类型为Solid185（该单元用于构造三维实体结构。单元通过10个节点来定义，每个节点有3个沿着XYZ方向平移的自由度。单元具有塑性，蠕变，膨胀，应力强化，大变形和大应变能力）。
从主菜单中选择Main Menu:Preprocessor----Element Type----Add Edit Delete命令，打开Element Type对话框，单击Add按钮，如图2.22所示。
图2.22 定义单元类型命令菜单 图2.23 定义单元类型为solid185
打开Library of Element Type对话框 从中选择Solid和Tet 10Node 185选项，如图2.23所示，按OK按钮，返回到上图单元类型对话框，需要点击Close按钮，关闭单元类型对话框即可，从而结束当前单元类型的添加架。
下面开始着手定义材料的弹性模量、泊松比
主菜单中选Main Menu: Preprocessor----Material Props----Material Model命令，打开定义材料模型属性（Define Material Model Behavior)窗口，如图2.24，依次单击Structural----Linear----Elastic----Isotropic,展开材料属性的树形结构。将打开材料的弹性模量
12
和泊松比的定义对话框，如图2.25，分别在EX和PRXY文本框中输入数值30e6和0.3后，点击OK，退出定义材料模型属性的窗口，至此完成材料模型属性的定义。
图2.24 定义材料属性命令菜单 图2.25 定义材料属性弹性模量及泊松比
2.4.3划分网格
从主菜单中选择Main Menu: Preprocessor....Meshing....Mesh Tool命令，如图2.26所示，打开网格工具（Mesh Tool)对话框，点击Line域中的Set按钮，打开图2.27线选择对话框，选择定义单元划分数的线，选择主轴孔底座的圆周，按OK，；在图2.28控制划分网对话框的No. of element divisions文本框中输入10，点击OK；再选择Mesh域中的Volumes，点击Mesh,打开图2.27选择体对话框，选择要划分数的体，点击Pick All按钮。ANSYS会根据进行的线控制划分体，得到划分后的凸缘联轴器如图2.29所示，所以从图上可以看出，对于那些比较容易出现应力过于集中的位置，网格的划分都是比较细致的，这样才能够保证分析的精确程度。
::
图2.26网格划分工具 图2.27线选择对话框
13
图2.28控制线分网 图2.29网格划分完成
2.4.4施加载荷
需要进一步定义分析类型和施加载荷边界条件及其载荷，然后对其进行求解，所进行的具体步骤如下：
Main Menu---Preprocessor---Loads---Analysis Type---New Analysis ，在弹出的New Analysis 对话框中选择 Static 静力学分析。
Main Menu---Solution---Define Loads---Apply---Structural---Displacement---On Areas 选项对凸缘联轴器施加边界条件。
图2.30施加载荷 图2.31施加载荷大小
从主菜单中选择
14
Main Menu: Solution----Define----Loads----Apply----Structural----Displacement----on Areas就像是图2.30所表达出来的那样，选择圆的周和轴向，单击“确定”,打开“应用领域的压力”对话框，在该命令下的文本框中间输入1e6的压力值，如图2.31所示，单击OK。
图2.32选取负荷对象图 图2.33显示负荷
从应用程序菜单中选择工具菜单：绘图的Plot----Areas得到的结果如图2.33所示显示载荷。 随后立即单击“保存”按钮，来保留全部的数据。至此定义边界条件施加负荷完成。
2.4.5开始求解
在主菜单里面找到一个“solution”按钮，点击它，然后进去“ Solve”按钮，然后再就是“Current LS”命令，就会出现一个需要确定的对话框选项。
图2.34 解决当前载荷确认步骤对话框
图2.35 开始开始求解到完成 图2.36 等值先显示节点解数据
15
2.4.6查看求解结果
从主菜单中选择Main Menu: General Post proc....Plot Result....Contour
Plot....Nodal Solu命令，打开等值先显示节点解数据（Contour Nodal Solution Data)对话框，如图2.36所示。选择如图所示的选项。
分别按照此方法显示多空连接机座在X/Y/Z/总的方向上的位移。
如下图2.37到2.40。
图2.37 X轴向的位移图 图2.38 Y轴向的位移图
图2.39 Z轴方向的位移图 图2.40 综合的位移图
按照上述查看变形的方法从主菜单选择，如图2.41所示，然后选择Stress，分别选择下图所示选项，在X/Y/Z/总的等效应力分布，如图2.42到2.45所示。
16
图2.41 选择不同方向以查看应力 图2.42 X轴方向的应力图
图2.43 Y轴方向的应力图 图2.44 Z轴方向的应力图
图2.45 von Mises等效应力图 图2.46 播放菜单命令
从主菜单中选择Utility Menu: Plo Ctrl----Animate----Deformed Results。然后出来对话框以后，根据上面给出的提示就可以接下去操作，点击“确定”按钮，如图2.46，开始播放动画，如果你想要停止播放动画，就选取图2.47所示的Stop按钮。
图2.47停止选项 图2.48动画效果图
从以上面各图我们可以，在转矩为460 牛顿每米时，半联轴器的最大位0.008004mm，最大位移发生在键槽出；最大应力位移也出现在键槽处，所以本章所得结论是与实际情况符合的。
第3章 十字轴式万向联轴器
3.1十字万向联轴器的简介
（1） 十字轴式万向联轴器概述
在万向联轴器在无数的存在形式中，十字轴万向联轴器是最常的一个应用，和最广泛使用的万向联轴器。而且十字轴式万向联轴器的构造十分单一，并且制造起来十分简易，使用时的损失较小，传送功率却非常大，效用尤其高，且对于装配精度要求反而比较小、就造成制造成本非常之低，使用起来非常方便，所以才被广泛地应用在各类行业中。虽然尽管近几十年来，科研工作者已经研发出来像球笼式、三销式等各种非常之多的新型的万向联轴器，但是十字轴式万向联轴器仍然用于各个工程领域。所以在万向联轴器使用目前在这一阶段，它仍然占着非常大的比重，是一种通用的非常重要的机器构件。
目前，万向联轴器的各种类型，大多与双十字轴耦合为基础，开发出来的。例如，说是凸块式、三销式万向联轴器的工作原理和双十字轴联轴器的工作原理是大致相同的，不同的是把中间的轴和十字轴的两端转化为凸块。它们简单且可靠，可用允许的轴间角较大，但是缺点是传动效率较低，易磨损，所以使用范围比较小。
（2） 十字轴传动的优点
十字轴万向联轴器是一种非常理想的传动联轴器，广泛应用在众多的机械传动设备中。其具备以下长处：l)传送效能较高，可大大降低电力损耗；2) 传送的扭转力矩较大；
3) 传动平稳，冲击是滑块式的1/10～1/20。4) 良好的润滑条件，节约投资和维护成本；5）使用寿命长，可达1~2年普遍使用；6) 允许倾角大，两个轴角可以达到35°～45°，低噪音的传输时间（30ｄＢ～40ｄＢ）；
所传递的扭矩位数N.米为小，大到KN.M数以百计，其结构由万向传动链单联，双联发展到多个连接。不同场合的驱动轴，结构类型和技术性能的要求也不同，准确，传动轴的合理选择和维护，确保机械稳定性，运行可靠，延长其使用寿命是非常重要的。
（3）十字轴式万向联轴器结构特点
其首要部件是主动、被动的叉字形状的对接头及十字轴、中心轴，其传送动力的中心的受力元件就是这个十字轴。这类联轴器的容许行使的轴的倾斜角度可以到15°或以上，当它是在双节的情况下作用时，就能够完成瞬间时刻相等角的速度的万向不同方向的传动送，可以使得主从动轴径向位移补偿和角位移补偿的需要被满足。从运动学的分析，双十字轴万向联轴器，为了不消除驱动轴转速，防止角加速度，一般采用双十字轴式万向联轴器。而且是该种联轴器可能容许两个像话联接的构件之间存在有较大的空间间隔和角度的
位移，具备传送扭矩大，滚动极其变通、非常安稳、效用非常大、可以使用的时间较长、容许的轴折角较大、可以伸也可以缩、噪声小以及润滑维修方便等诸多优点，所以广泛应用在众多行业。
3.2十字轴式万向联轴器的实体模型及二维尺寸图形
图3.1 实体模型
图
3.2 二维图形
根据所要分析的十字轴式万向联轴器的实体模型来确定其二维图形尺寸。
图3.3 十字轴的二维图形 图3.4 新建绘图环境
注：1—十字轴；1—无内圈圆柱滚子轴承；3——垫片
3.3三维模型建立过程
根据十字万向联轴器的二维图形尺寸，在三维软件PROE中绘制出十字万向联轴器的三维图形，便于后续的有限元分析。
首先新建一个绘图环境，便于后续绘图，如图3.4所示。
图3.5 设置草绘平面 图3.6 拉伸实体一
然后开始设置草绘平面，便于图形拉伸，再开始着手拉伸第一个实体，如图3.6所示。
图3.7：拉伸实体二 图3.8：绘制镜像参照草绘平面
第一个实体拉伸完成后，开始第二个实体的拉伸，然后开始镜像到另一侧，所以需要绘制镜像平面，再开始镜像命令，到镜像完成。
最后开始十字轴的绘制，然后再和联轴器开始装配，完成后并开始着色，如图3.9所示。
图3.9 完整的图形和图着色 图3.10 选择保存为IGES文件格式
3.4对十字轴式万向联轴器的三维图形开始有限元分析
3.4.1三维图形导入ANSYS
把在PROE制图软件中已经绘制完成的三维图形，另存为IGES格式，然后来实现导入到ANSYS中的步骤。
图3.11 确认导入三维图形 图3.12 导入后的联轴器的几何模型
选择导入格式，如图3.10所示。然后确认导入图形，如图3.11所示。
图3.13 中间横轴的几何模型 图3.14 中间轴的几何模型
3.4.2定义类型、材料等
首先需要定义工作文件名并设置分析类型为静力分析，然后进行必要的定义，包括定义单元类型和选项、定义实常数和材料属性等。
从主菜单中选择Main Menu:Preprocessor----Element Type----Add Edit Delete命令，打开Element Type对话框图3.15，单击Add....按钮。
图3.15 定义单元类型的命令菜单 图3.16 定义单元类型
打开Library of Element Type对话框 如图3.16从中选择Solid和Tet 10Node 185选项，按OK按钮，点击Close按钮，关闭单元类型对话框即可，从而结束当前单元类型的添加架。
主菜单中选Main Menu: Preprocessor----Material Props----Material Model命令，打开定义材料模型属性（Define Material Model Behaviour)窗口，如图3.17，依次单击Structural----Linear----Elastic----Isotropic,展开材料属性的树形结构。将打开1号材料的弹性模量和泊松比的定义对话框，分别在EX和PRXY文本框中输入数值210GPa和0.3后，点击OK,退出定义材料模型属性的窗口，至此完成材料模型属性的定义。
图3.17 定义材料属性
3.4.3划分网格
然后开始对三维实体开始网格划分
选择主菜单：主菜单——预处理---网格划分命令----网格划分工具命令，如图3.18所示，打开网格划分工具的对话框，点击线选择域中的“设置”按钮，图3.19线选择对话框，选择定义单元划分数线，按OK；在图2.28控制划分网对话框的文本框中输入10，点击“确定”按钮；然后选择体积网格域网，点击，打开图3.20选择”对话框，选择合适的号码，
然后点击选择按钮，立即全部选中，然后Ansys就可以划分出网格。
图3.18 网格划分命令 图3.19 线选择对话框 图3.20 控制线分网
图3.21网格划分完成 图3.22 施加负荷
3.4.4定义边界类型及施加载荷
Main Menu---Preprocessor---Loads---Analysis Type---New Analysis ，在弹出的New Analysis 对话框中选择 Static 静力学分析。
Main Menu---Solution---Define Loads---Apply---Structural---Displacement---On Areas 选项对
联轴器施加边界条件，在联轴器的一个十字轴上施加 UX、UY、UZ方向的约束，如图3.22所示。
Main Menu----Solution----Define Loads----Apply----Structural----Force Moment---On Node选项，在另一个十字轴侧面施加扭矩 1160.8N•m。
图3.23 选取目标的点的图 图3.24 对联轴器施加载荷后的图
施加边界条件和载荷情况如图3.24所示。
3.4.5开始求解
Main Menu :Solution----Solve----Current LS命令，打开一个需要确认的对话框和状态列表。
图3.25 解决当前载荷确认不住对话框 图3.26 选取每一个平面查看
3.4.6查看求解结果
Main Menu---General Post proc---Plot Results---Contour Plot---Element Solu 观察单元应力云图，如图2.27至2.29所示。
图3.27 XY面的剪切应力 图3.28 YZ面的剪切应力
图3.29 ZX平面剪切应力 图3.30 选取各方向的应力
从各个方向的应力，查看结果如图3.31至3.34所示。
图3.31 X轴方向的应力 图3.32 Y轴方向的应力
图3.33 Z轴方向的应力 图3.34 总的应力强度 Main Menu---General Post proc---Plot Results---Contour Plot---Nodal Solu 观察节点应力云图
图3.35 节点的应力强度
表4.1 联轴器最大应力分布情况
以上是对联轴器的静态学分析，以上各图显示了最大扭矩时分别沿 XY 面、YZ面、ZX 面的剪切应力，也显示了沿 X 轴、Y 轴、Z 轴的应力分布。表 4.4中的最大应力分布，它可以从XY 面、YZ 面、ZX 平面内的应力相对较小，沿X轴、Y轴的拉压应力相对较大。单元最大应力 σ=237.376Mpa，而已知十字轴的最大屈服极限σs＝347Mpa，σ
结束语
联轴器作为我们机械中非常重要的元件，应用广泛。第二章的范例使用超级普遍使用的剖析流程ANSYS 以半凸缘联轴器，剖析了凸缘联轴器在受周向力和纵向力载荷时的应力与应变分布分布情况。从上面的分析，我们可以知道它的应力和应变耦合的正常运行都在允许的范围内，这样的设计是合理的。根据十字轴万向联轴器在加载情况下，危险的工作条件中，第三章开始进行静强度分析，得出了应力应变云图， 该联轴器的最大扭转力矩工作状况下，工作的时候应力首要是汇集在两边的十字轴上，其中最大的应力也是在十字轴材料的屈服极限的范畴内的。所以我们可以通过观察范例得出的结果，这样就能证实此类设计确实是设计是吻合强度要求。
在本次设计中，要求任务内容是通过毕业实习收集相关资料，了解相关设备的现场使用情况，写出开题报告。首先对两种联轴器开始明确的认识；联轴器材料和结构的选择；尺寸的确定；绘图并撰写设计说明书。在设计期间通过对所研究对象既两种联轴器完成了三维图形的建立，并导入ANSYS开始有限元分析，分析静力作用下的应变等，并查看结果。但是，由于电脑自身配置稍低及时间有限等原因，在完成过程中还有一些缺陷。在以后的学习中还会继续开始有限元的学习、应用等，希望能够更加完善。
参考文献
[1] 谭庆昌，赵宏志，曾平 .机械设计 .吉林科学技术出版社 2000年5月出版: 349-358. [2]孙恒 .机械原理[M]. 北京: 高等教育出版社. [3] 陈家瑞.汽车构造[M].机械工业出版社2005.
[4]刘相新,孟宪顾. ANSYS基础与应用教程 . 北京:科学出版社 2006.
[5]邓海顺,许贤良 . 凸缘联轴器的有限元分析[J] .煤矿机械 2004年:52～-53. [6]陈精一 . ANSYS工程分析实例教程[M]. 中国铁道出版社 2006年8月.
[7] 李皓月,周天朋,刘相新. 编著ANSYS工程计算应用教程[M]. 北京 :中国铁道出版社 ,2003. [8]赵汝嘉.机械结构分析的有限元法[M].华中理工大学出版社2001. [9]汪树玉,刘国华.结构优化设计的现状与进展[M].基建优化 2004.
[10]朱彤 .基于Ansys的珠联轴器的有限元分析[J] .机械制造 2005 :31～34 .
[11]任少云,朱正礼,张建武 .双十字轴万向节传动力学建模与仿真 .上海交通大学学报 .2004 年第 38 卷.
[12]杨贵明 .SWC 型十字轴式万向联轴器 .机械工程师. 2004 年:第 1 期 29～30.
[13]丁永祥,夏巨谌. 有限元网格自动生成算法的最新进展[J] .中国机械工程. 2003年6月. [14]黄世琦 .大型十字轴式万向联轴器中十字轴的有限元分析及形状优化[J] .重型机械 .2007年12月.
[15]李勇 .万向联轴器的选型设计. 江苏冶金 .2000 年:第 2 期 76～78.
致谢
本次毕业设计中，李建心老师在选题、设计等环节给予了专业细致的指导，严格要求，循循善诱，让我养成了良好的科研思维习惯，获取了有限元分析法更深层次的知识。另外，李瑞娟同学热心方便的软件安装包为我的毕业设计带来极大方便，在此表示感谢。通过此次毕业设计，在李老师的科学指导下，我获益匪浅，在此谨向母校辛勤栽培我的老师致以崇高的敬意和衷心的感谢。
摘要
本文首先扼要得为大家介绍了联轴器的性能、功用、分类和有限元方法。接下来分别简要介绍凸缘联轴器和十字轴式万向联轴器的优缺点，接着完成开始有限元分析的前期准备，准备好两种联轴器的二维图形的尺寸，根据准备好的尺寸图开始在Proe中建立两种联轴器的三维建模。然后准备用Ansys开始有限元分析，再把三维模型导入Ansys，施加载荷后着手开始有限元静力分析，在过程中记录下分析过程，截图及分析步骤。最后求解分别获得其应力应变分布情况，同时对两种联轴器开始了强度校核。结果证明凸缘联轴器十字轴式万向联轴器的设计是符合强度要求的联轴器。至此，文章圆满完成起初研究的目的。
关键词：联轴器 Pro/E ANSYS
ABSTRACT
Firstly, this article briefly describes the couplings performance、function、classification and the finite element method. Next,this article briefly describe the flange couplings and cross shaft universal couplings advantages and disadvantages respectively,then I start to complete the preparation for the finite element analysis、 the size of the coupling of two ready-dimensional graphics, and begin to build three-dimensional modeling based on the coupling of two dimensional drawing prepared in Proe 。Then we are ready to start using Ansys finite element analysis and importing the three-dimensional model into Ansys.We start to applied load, and then embarked on finite element static analysis.In this process, We should record the process under analysis, and the screen shots of the analysis step . Finally, we obtained the stress and strain distribution of the model by solving ,meanwhile, we checked the strength of the two couplings.The results show that the flange couplings and the cross shaft universal couplings are designed to meet the strength requirements of the couplings. Thus,the article successfully complete the initial purpose of the study .
Keywords:Coupling; Pro/E ; ANSYS
目录
引言 ................................................................................................................................................. 1
第1章 ANSYS软件及其应用 ..................................................................................................... 3
1.1ANSYS界面、技术种类 .................................................................................................. 3
1.2分析类型 ........................................................................................................................... 3
1.3处理模块 ........................................................................................................................... 5
第2章 凸缘联轴器 ..................................................................................................................... 7
2.1凸缘联轴器的简介 ........................................................................................................... 7
2.3凸缘联轴器的三维模型建立 ........................................................................................... 8
2.4对凸缘联轴器的三维图形开始有限元分析 ................................................................. 11
2.4.1三维图形导入ANSYS ........................................................................................ 11
2.4.3划分网格 .............................................................................................................. 13
2.4.4施加载荷 .............................................................................................................. 14
2.4.5开始求解 .............................................................................................................. 15
2.4.6查看求解结果 ...................................................................................................... 16
第3章 十字轴式万向联轴器 ................................................................................................... 19
3.1十字万向联轴器的简介 ................................................................................................. 19
3.2十字轴式万向联轴器的实体模型及二维尺寸图形 ..................................................... 20
3.3三维模型建立过程 ......................................................................................................... 20
3.4对十字轴式万向联轴器的三维图形开始有限元分析 ................................................. 22
3.4.1三维图形导入ANSYS ........................................................................................ 22
3.4.2定义类型、材料等 .............................................................................................. 22
3.4.3划分网格 .............................................................................................................. 23
3.4.4定义边界类型及施加载荷 .................................................................................. 24
3.4.5开始求解 .............................................................................................................. 25
3.4.6查看求解结果 ...................................................................................................... 25
结束语 ........................................................................................................................................... 29
参考文献 ....................................................................................................................................... 30
致谢 ............................................................................................................................................... 31
引言
1.1联轴器性能、功用及分类
它是一种常见的轴系零件在机械传动系统中，其基本功能是用于两个连接（有时也用于链接和其他旋转部分），并能传递运动和转矩。
联轴器的可用的方面是很广的，遍布众多的领域，它的种类非常多多，数量极其大的基本的部件。相比于齿轮传动，带传动和一系列的传动机构，传动机构耦合具有着非常特殊的功能，不是其他机制可代替的。我们需要把一根轴上的扭矩/转速用较大的轴与轴之间的夹角传送到距离比较远，角度有可能随时变化的另外一根轴的时候，一般只可能选择联轴器传动来实现这类传送。
联轴器的种类是非常多的，而且它的使用范围也随时间慢慢变广，并且一直不断地被更新换代。如果是按照传递转矩来看的话，它可以分为大的和小的两种；如果在与速度特性一致，可分为非恒定型，准恒定型，速度型；在正常情况下，根据其没有赔偿能力的相对位移，可分为刚性、弹性联轴器，两种联轴器。其中刚性联轴器，有相对位移补偿能力，和刚性联轴器是由刚性部件，但也没有阻尼，这种用在两个联轴器连接，极其严厉的对中、载荷平稳的场合下；有阻尼弹性耦合能力，适用于两个耦合的严谨在负载平衡的场合下；由于弹性耦合是一个灵活的，不仅可以弥补相对位移和阻尼功能，也可以同时为了防止传动轴系过载引起损坏的零件的安全装置。
1.2有限元方法
利用有限元的方式来合理分析静或动态的物理体系便是可以叫做有限元分析。在这种方法中，一个物体或者系统可以分解为相互联系，由简单的几何模型，独立点组成便可以。这个方法内部的单独点的数目是非常有限的，所以叫做有限元。从实际的物理模型里得到的方程式应用于每点上，因此出现了一个方程组。该方程可用于求解线生成方法。但有限元分析结果的准确度是不受限制的增加的。当单元的数目达到一定的高度的时候，得到解决方案，将不会提高精度，所以只有计算时间是一直不断提高的。
FEA目前已被广泛应用，现在作为每年创造多达几十亿美金的基础。运用有限元分析的寻常方法，可以得到非常繁琐的应力问题的数量解。这个方法非常重要，即使是这些类仅仅论述初学级别的材料力学之类的模块，也应概述它的重要特征。 当然，不论该法是多么的效果显著，一旦当我们用这个或者相关方法的时候，电脑得出的解的不足之处一定要紧记心头，既解可能不定能够表面各类材质的性能，几何特征之一系列的重点变化量是
怎么作用于应力。否则的话，输进去的式错误的数据，输出的结果就会相差很大，但是作为来分析的人是很难觉出来的。所以让设计直觉变得敏捷是建立模型的非常重要的作用。用户使用有限元程序，就该以这个目的来准备方法，用最多的密封的解以及实验的分析过程补充计算机仿真。 相比于现代微机里面的大量软件包，有限元的程序不那么繁琐。但是，即使这样程序的繁琐程度任然使得大多用户没有办法有效率地开始程序编写。所以可以买一些之前编程好的商用程序，而且价格合适，由微机至超级计算机都是可以使用的。但式那些有特殊需要的用户们，不用对所需程序的编程望而生畏望而却步，可以发现，从一些课本教材里方便的编程可用作起步。大多数的有限元软件用FORTRAN处理文字，喜欢感觉更新程序用C语言编写的，或其他实时更新程序的语言。
第1章 ANSYS软件及其应用
1.1ANSYS界面、技术种类
把流动体、构造、磁/声场及耦合剖析融会在一个整体里面的超级有限元分析软件便是ANSYS。该应用型软件是由世上最大的有限元分析软件公司研发出来的，可以和多数CAD类型的软件实现对接，充沛实现各类数据的分享和互换，如ALGOR/CAD的自动实现，作为一个现代产品设计的先进的CAE方法。所以它可以用在下列各领域：汽车，航空，航天，生物医学，桥梁，建筑，电子，机械，等。
图1.1 打开ANSYS 图1.2 ANSYS初始界面
该应用软件大概由三块小部分组成：首先是前期处置部分，而后是剖析计算部分，最终是后期处置部分。
前方的前期处置模块便利地壮大了实际物体的立体建模和进行网格划分的步骤，是以我们就能够非常容易地创建出需要开始剖析的有限元模型；
随后的剖析计算部分蕴含构造剖析、流动体动力剖析、磁场/声场的剖析、压电/多种物理场的耦合剖析，也可以仿制出各式各样的不同物质间的的交互的作用，具备极高的剖析和优化剖析的实力；
最后面的后处理模块能够把得出的结果图用彩色的等值线表示、梯度表示、矢量表示、粒子流迹表示、立体切片表示、透明和半透明表示（这种表示方法可以看到物体的结构内部）等图形方式表示出来，当然，用图表、曲线形式表示出计算结果也是可以的。
该软件方便了一百种还多的单元格类型，可以用它们来模仿出工程中的各种各样的结构和材料。软件有许许多多不同的版本，可以把这些类型从个人计算机到大型计算机运行多个设备。
1.2分析类型
（1）.结构静力分析
用以解决外部载荷引发的位移、应力和力带来的影响。并且静力分析是非常适合求惯性力和阻尼对于结构所带来的影响不是很明显的问题。在ANSYS软件程序静态分析不仅可用于线性分析，非线性分析的是可以解决的，如塑性分析，大变形分析，分析，大应变分析和接触分析的扩展。
（2）.结构动力学分析
结构动态分析与结构或构件的功能的加载时间变化的方法解决。但是这个方法和静力分析是不同的，动力分析的过程需要考虑的是随着时间而变化的力，它也可以解决阻尼和惯性带来的影响。ANSYS工具能够解决的构造动力学的剖析的范例蕴含：瞬间的动力学剖析、模态的剖析、谐波反映的剖析和随意震动的反映剖析。
（3）.结构非线性分析
改变结构的非线性响应往往导致结构或构件与外部负载和显示不成比例。ANSYS程序蕴含原料的不是线性的、几何的不是线性和单位的不是线性三个类型。
（4）.动力学分析
ANSYS应用软件也能够用来剖析超级立体柔体活动范例。运动积累起着重要的作用，可以使用此功能的繁琐复杂结构的运动特征，从而确定结构的应力，应变和变形。
（5）.热分析
可用来解决热传递中传导、对流和辐射三种类型。而且热传送的这三中范例都是能够开始进行稳定状态和瞬时状态、线性及不是线性分析的范例。同时，相变热分析可以解决模拟材料的鸣鼓和融化过程的分析能力，并且还可以解决结构应力的仿真，热结构的耦合分析。
（6）.电磁场分析
大部分是用来解决电磁问题，如电感，电容，磁通密度，电场，磁场分析，应力，电路和能量损失等问题。当然，也可用在一些调节装置、发电的机器、变换的机器、电解的漕池和没有损失的检测装配等的一系列的的计划和剖析规模。
（7）.流体动力学分析
ANSYS应用软件的流动立体的单位能够用来剖析流动立体的动力学，此种的剖析范例不妨为瞬时状态或稳定状态。得出的剖析后果便是每个节点的压力和每个单位的流体速率。这些都能够使用后面的处置功效，随之发生压力、流体速率和温度大小的分布的图示。此外，我们还可以使用的单位和热流单位流体表面效应模拟在管结构的流。
（8）.声场分析
声学功能的程序，可以用来研究含流体介质中声波的传播，或在液体中浸没固体结构的动态性能特性分析。所有此类功效能够用以确定声响、麦克风的频率反映，探讨音乐艺术大厅的声音场合强度的散布，或预测出水对波动中的船体的阻尼的效应。
（9）.压电分析
这种能够用来分析平面或立体的结构对交换流、直接流或随心跟着时段的变革的电流/机器载荷的响应放映出的问题。也可分析交换热器、谐振的机器、话筒之类的有关部件及别的电子设备的构造动作状态的机能。四种类型可以开始进行分析：静态分析、模态分析、瞬态响应分析、谐波响应分析。
1.3处理模块
（1）实体建模
ANSYS应用程序具有两种创建实物立体模型的方法：一是从上部向下建立，二是从底部开始向上面建立。使用自上而下的方法时，实体建模作为用户要开始的步骤，首先shiite定义一个模型的高级图元，来确定其先进的功能，随后该应用程序把会主动开始界说与之有关系的面，线和关键的点等。所以我们就可以使用这些先进的高级元定义直接构造几何模型。作为我们用户，不论是利用从上面向下部的法子还是从底部向上面的法子来建立模型，都可以通过布尔运算配合的数据，随之就可以创建起一个我们想要的实体模子。而作为ANSYS程序则完整地方便了所需的布尔运算。所以在开始建立繁琐的实物立体的模型时，对线、面、体等基元的操作步骤能减少非常多的建模工作。此外，ANSYS程序也方便运输，延伸，旋转，移动和一系列的模型元素的功能。另外，还有很多的附加的功能。
（2）网格划分
该流程便利的了利用方便、较高的质量的对一些CAD模子开始进行划分出来网格的功效。划分网格是由四种方法，扩展了网格划分，网格图形，自由网格划分和网格自适应组成。扩展网格的方法是一个平面网格扩展到立体的网格。对于图像的网格划分方法允许我们用户把几何模型分解为若干部分很简单，然后根据选择的单元属性和网格的控制权，最后生成的图像网格。而于自由网格区分器来说，它的功能是非常大的，能够对繁琐模子实行直截了当的划分，这样一来就免去我们用户对各个局部各自进行划分，然后解决组装零件生成网格不匹配的问题。对于主动适应网格划分的法子是指有了具备了临界条件的实物立体的模子后，作为我们的用户基本指示流程主动地就能够生成有限元网格，然后剖析、估量网格的离散误差，继而来重新界说网格巨细，再次，分析，估计误差网格，直到误差小于我们用户定义的值或一个用户定义的要求。
（3）载荷类型
有限元软件，外部负载是不是在分析领域相同的特性是不一样的，但大体上可分为六类：
1）自由度约束（DOF ）：对于已经给定的自由度可用已知的量来表示。比如，于构造剖析中的管制说的是指相对位移和与之对称的边界的条件，但热力学剖析中一般讲的是温度和热量通量的平行的边界条件。
2）力（FORCE）：讲的是指集中载荷的节点或载荷的大小的边界的实体模型。比如构
造剖析里面的力以及力矩的大小，在热力剖析中的热流体速度的大小，也可以是各种磁场剖析中的电流时段。
3）表面负荷（SURFACE LOAD）：是指分布载荷施加在一个平面。压力分布，如结构分析，有对流的热力学分析和热通量。
4）立体载荷（BODY LOAD）：是指一个量或在一个坚实的领域模型的负荷。例如，考虑重力，有热产生率的热分析。
5）惯性载荷（INERTIA LOADS）：指的是因为物体的质量产生的惯性而引起的载荷。例如讲重力加速度引起的惯性力等引起的载荷。
6）耦合场载荷（COUPIED-FIELD LOADS）：这是一个特殊的负载，需要分析的结果，其结果是作为负载的一个额外的分析。例如，磁场力分析是结构分析计算的解决。
第2章 凸缘联轴器
2.1凸缘联轴器的简介
（1）凸缘联轴器的概述
对凸缘联轴器的话就是属于刚性联轴器的范畴之内，经过用两个带着法兰的一半的联轴器用通俗的平键各自与这两个轴对接，继而再使几个螺栓将这两个半联轴器连在一起，用来传递运动和转矩。像此类联轴器一般是结构形式有两种：第一就是通过铰制孔用螺栓来完成两根轴对于通过螺栓杆担受挤压力与剪切力而来传递转矩；第二是通过一个半联轴器上的凸肩去与另一个的凹槽相互配合从而取得对中。
（2）凸缘联轴器的材料、优缺点等
一般耦合材料可以用灰铸铁或刚，如果是在重负荷或循环速度大于30米/秒时，应该使用铸钢或锻钢。对于中性轴的要求是很高的，但是它的主要缺点是，当两个一致的位移的存在，会有部分的恶化引起的附加载荷和工作条件。
（3）凸缘联轴器的特点
凸缘联轴器的法兰半联轴器，使用两个平键分别于两个关键的耦合连接，完成两个连接，传递转矩和运动等。对于我们平常使用来说，凸缘联轴器的构造容易，制造简单，所以前期要花的成本分本相当少，当它发挥作用的时候却非常好用，出现毛病的时候也容易修理，并且工作的时候能够传送较多的转矩，确保精度的大小，经常使用在安稳载荷的时候，高速，高精度轴传动。法兰式联轴器是缺少纵向、轴向和角向赔偿性的能力的，行使过程中若是没法确保精度的大小，就会减低联轴器的使用时间长短、传动的精确度和传动的效率大小，并引起振动和噪声。
2.2
凸缘联轴器模型
图2.1 凸缘联轴器的实体模型 图2.2 凸缘联轴器的二维尺寸图
半联轴器的外环是四个12.2mm直径小孔，半联轴器外径120mm，内直径32mm，采用
7
32mm直径轴。已知联轴器的转速为8500r/min，传递功率340kw 。本章将会使用静态有限元分析法计算耦合应力分布不足。
2.3凸缘联轴器的三维模型建立
首先，在三维图形软件ProE建立铰孔凸缘联轴器的半联轴器。
图2.3 新建绘图环境 图2.4 设置草绘界面一
在Proe中新建一个绘图环境来放置图形，然后根据需要来设置合适的草绘界面，便于作图，根据所用的二维图形的尺寸来开始开始图形绘制。
图2.5 拉伸一 图2.6 设置草绘界面二
开始实体拉伸一，如图2.5，需要再设置一个草绘界面，如图2.6，然后选取草绘的平面，如图2.7所示，绘制完成后开始开始实体二的拉伸，输入拉伸长度，完成拉伸。
8
图2.7 选择将要进行草绘的平面 图2.8 开始进行实体拉伸二
图2.9 选取曲面、轴或点来放置孔 图2.10 完成抽孔
开始开始抽孔，首先选取合适的地方来放置所需的孔，输入尺寸后，完成抽孔命令。
图2.11 阵列命令各选项 图2.12 阵列示意图
对所抽的孔开始阵列步骤，选取阵列各个命令，角度及个数，如图2.11所示。并开始开始阵列，如图2.12所示。
9
图2.13 阵列完成 图3.14 抽取中间轴
开始抽取中间轴的孔，选项如图2.11所示，然后开始开始抽取。
图2.15 绘制键槽平面图形
图2.16 键槽拉伸示意图 图2.17 键槽拉伸完成
最后开始键槽的拉伸，选择草绘平面，先绘制完成后如图2.16所示，然后开始拉伸，如图2.17所示。
10
图2.18 凸缘联轴器半轴器完成并着色
2.4对凸缘联轴器的三维图形开始有限元分析
2.4.1三维图形导入ANSYS
把在PROE制图软件中已经绘制完成的三维图形，另存为IGES格式，然后来实现导入到ANSYS中的步骤。
根据三维图形软件画出来的半联轴器，在分析的过程中，四个螺钉孔分析，半面与固定侧施加一个力，表面上的槽。已知功率P为380kw，转矩为460 N/m，配合的轴的直径为32mm。有限元分析的过程如下各图所示。
11
图2.19 导入ANSYS的命令菜单 图2.20选择由PROE转化成的IGES格式的文件
图2.21 图形顺利导入ANSYS
2.4.2定义类型、材料等
设置分析类型为静力分析，定义单元类型为Solid185（该单元用于构造三维实体结构。单元通过10个节点来定义，每个节点有3个沿着XYZ方向平移的自由度。单元具有塑性，蠕变，膨胀，应力强化，大变形和大应变能力）。
从主菜单中选择Main Menu:Preprocessor----Element Type----Add Edit Delete命令，打开Element Type对话框，单击Add按钮，如图2.22所示。
图2.22 定义单元类型命令菜单 图2.23 定义单元类型为solid185
打开Library of Element Type对话框 从中选择Solid和Tet 10Node 185选项，如图2.23所示，按OK按钮，返回到上图单元类型对话框，需要点击Close按钮，关闭单元类型对话框即可，从而结束当前单元类型的添加架。
下面开始着手定义材料的弹性模量、泊松比
主菜单中选Main Menu: Preprocessor----Material Props----Material Model命令，打开定义材料模型属性（Define Material Model Behavior)窗口，如图2.24，依次单击Structural----Linear----Elastic----Isotropic,展开材料属性的树形结构。将打开材料的弹性模量
12
和泊松比的定义对话框，如图2.25，分别在EX和PRXY文本框中输入数值30e6和0.3后，点击OK，退出定义材料模型属性的窗口，至此完成材料模型属性的定义。
图2.24 定义材料属性命令菜单 图2.25 定义材料属性弹性模量及泊松比
2.4.3划分网格
从主菜单中选择Main Menu: Preprocessor....Meshing....Mesh Tool命令，如图2.26所示，打开网格工具（Mesh Tool)对话框，点击Line域中的Set按钮，打开图2.27线选择对话框，选择定义单元划分数的线，选择主轴孔底座的圆周，按OK，；在图2.28控制划分网对话框的No. of element divisions文本框中输入10，点击OK；再选择Mesh域中的Volumes，点击Mesh,打开图2.27选择体对话框，选择要划分数的体，点击Pick All按钮。ANSYS会根据进行的线控制划分体，得到划分后的凸缘联轴器如图2.29所示，所以从图上可以看出，对于那些比较容易出现应力过于集中的位置，网格的划分都是比较细致的，这样才能够保证分析的精确程度。
::
图2.26网格划分工具 图2.27线选择对话框
13
图2.28控制线分网 图2.29网格划分完成
2.4.4施加载荷
需要进一步定义分析类型和施加载荷边界条件及其载荷，然后对其进行求解，所进行的具体步骤如下：
Main Menu---Preprocessor---Loads---Analysis Type---New Analysis ，在弹出的New Analysis 对话框中选择 Static 静力学分析。
Main Menu---Solution---Define Loads---Apply---Structural---Displacement---On Areas 选项对凸缘联轴器施加边界条件。
图2.30施加载荷 图2.31施加载荷大小
从主菜单中选择
14
Main Menu: Solution----Define----Loads----Apply----Structural----Displacement----on Areas就像是图2.30所表达出来的那样，选择圆的周和轴向，单击“确定”,打开“应用领域的压力”对话框，在该命令下的文本框中间输入1e6的压力值，如图2.31所示，单击OK。
图2.32选取负荷对象图 图2.33显示负荷
从应用程序菜单中选择工具菜单：绘图的Plot----Areas得到的结果如图2.33所示显示载荷。 随后立即单击“保存”按钮，来保留全部的数据。至此定义边界条件施加负荷完成。
2.4.5开始求解
在主菜单里面找到一个“solution”按钮，点击它，然后进去“ Solve”按钮，然后再就是“Current LS”命令，就会出现一个需要确定的对话框选项。
图2.34 解决当前载荷确认步骤对话框
图2.35 开始开始求解到完成 图2.36 等值先显示节点解数据
15
2.4.6查看求解结果
从主菜单中选择Main Menu: General Post proc....Plot Result....Contour
Plot....Nodal Solu命令，打开等值先显示节点解数据（Contour Nodal Solution Data)对话框，如图2.36所示。选择如图所示的选项。
分别按照此方法显示多空连接机座在X/Y/Z/总的方向上的位移。
如下图2.37到2.40。
图2.37 X轴向的位移图 图2.38 Y轴向的位移图
图2.39 Z轴方向的位移图 图2.40 综合的位移图
按照上述查看变形的方法从主菜单选择，如图2.41所示，然后选择Stress，分别选择下图所示选项，在X/Y/Z/总的等效应力分布，如图2.42到2.45所示。
16
图2.41 选择不同方向以查看应力 图2.42 X轴方向的应力图
图2.43 Y轴方向的应力图 图2.44 Z轴方向的应力图
图2.45 von Mises等效应力图 图2.46 播放菜单命令
从主菜单中选择Utility Menu: Plo Ctrl----Animate----Deformed Results。然后出来对话框以后，根据上面给出的提示就可以接下去操作，点击“确定”按钮，如图2.46，开始播放动画，如果你想要停止播放动画，就选取图2.47所示的Stop按钮。
图2.47停止选项 图2.48动画效果图
从以上面各图我们可以，在转矩为460 牛顿每米时，半联轴器的最大位0.008004mm，最大位移发生在键槽出；最大应力位移也出现在键槽处，所以本章所得结论是与实际情况符合的。
第3章 十字轴式万向联轴器
3.1十字万向联轴器的简介
（1） 十字轴式万向联轴器概述
在万向联轴器在无数的存在形式中，十字轴万向联轴器是最常的一个应用，和最广泛使用的万向联轴器。而且十字轴式万向联轴器的构造十分单一，并且制造起来十分简易，使用时的损失较小，传送功率却非常大，效用尤其高，且对于装配精度要求反而比较小、就造成制造成本非常之低，使用起来非常方便，所以才被广泛地应用在各类行业中。虽然尽管近几十年来，科研工作者已经研发出来像球笼式、三销式等各种非常之多的新型的万向联轴器，但是十字轴式万向联轴器仍然用于各个工程领域。所以在万向联轴器使用目前在这一阶段，它仍然占着非常大的比重，是一种通用的非常重要的机器构件。
目前，万向联轴器的各种类型，大多与双十字轴耦合为基础，开发出来的。例如，说是凸块式、三销式万向联轴器的工作原理和双十字轴联轴器的工作原理是大致相同的，不同的是把中间的轴和十字轴的两端转化为凸块。它们简单且可靠，可用允许的轴间角较大，但是缺点是传动效率较低，易磨损，所以使用范围比较小。
（2） 十字轴传动的优点
十字轴万向联轴器是一种非常理想的传动联轴器，广泛应用在众多的机械传动设备中。其具备以下长处：l)传送效能较高，可大大降低电力损耗；2) 传送的扭转力矩较大；
3) 传动平稳，冲击是滑块式的1/10～1/20。4) 良好的润滑条件，节约投资和维护成本；5）使用寿命长，可达1~2年普遍使用；6) 允许倾角大，两个轴角可以达到35°～45°，低噪音的传输时间（30ｄＢ～40ｄＢ）；
所传递的扭矩位数N.米为小，大到KN.M数以百计，其结构由万向传动链单联，双联发展到多个连接。不同场合的驱动轴，结构类型和技术性能的要求也不同，准确，传动轴的合理选择和维护，确保机械稳定性，运行可靠，延长其使用寿命是非常重要的。
（3）十字轴式万向联轴器结构特点
其首要部件是主动、被动的叉字形状的对接头及十字轴、中心轴，其传送动力的中心的受力元件就是这个十字轴。这类联轴器的容许行使的轴的倾斜角度可以到15°或以上，当它是在双节的情况下作用时，就能够完成瞬间时刻相等角的速度的万向不同方向的传动送，可以使得主从动轴径向位移补偿和角位移补偿的需要被满足。从运动学的分析，双十字轴万向联轴器，为了不消除驱动轴转速，防止角加速度，一般采用双十字轴式万向联轴器。而且是该种联轴器可能容许两个像话联接的构件之间存在有较大的空间间隔和角度的
位移，具备传送扭矩大，滚动极其变通、非常安稳、效用非常大、可以使用的时间较长、容许的轴折角较大、可以伸也可以缩、噪声小以及润滑维修方便等诸多优点，所以广泛应用在众多行业。
3.2十字轴式万向联轴器的实体模型及二维尺寸图形
图3.1 实体模型
图
3.2 二维图形
根据所要分析的十字轴式万向联轴器的实体模型来确定其二维图形尺寸。
图3.3 十字轴的二维图形 图3.4 新建绘图环境
注：1—十字轴；1—无内圈圆柱滚子轴承；3——垫片
3.3三维模型建立过程
根据十字万向联轴器的二维图形尺寸，在三维软件PROE中绘制出十字万向联轴器的三维图形，便于后续的有限元分析。
首先新建一个绘图环境，便于后续绘图，如图3.4所示。
图3.5 设置草绘平面 图3.6 拉伸实体一
然后开始设置草绘平面，便于图形拉伸，再开始着手拉伸第一个实体，如图3.6所示。
图3.7：拉伸实体二 图3.8：绘制镜像参照草绘平面
第一个实体拉伸完成后，开始第二个实体的拉伸，然后开始镜像到另一侧，所以需要绘制镜像平面，再开始镜像命令，到镜像完成。
最后开始十字轴的绘制，然后再和联轴器开始装配，完成后并开始着色，如图3.9所示。
图3.9 完整的图形和图着色 图3.10 选择保存为IGES文件格式
3.4对十字轴式万向联轴器的三维图形开始有限元分析
3.4.1三维图形导入ANSYS
把在PROE制图软件中已经绘制完成的三维图形，另存为IGES格式，然后来实现导入到ANSYS中的步骤。
图3.11 确认导入三维图形 图3.12 导入后的联轴器的几何模型
选择导入格式，如图3.10所示。然后确认导入图形，如图3.11所示。
图3.13 中间横轴的几何模型 图3.14 中间轴的几何模型
3.4.2定义类型、材料等
首先需要定义工作文件名并设置分析类型为静力分析，然后进行必要的定义，包括定义单元类型和选项、定义实常数和材料属性等。
从主菜单中选择Main Menu:Preprocessor----Element Type----Add Edit Delete命令，打开Element Type对话框图3.15，单击Add....按钮。
图3.15 定义单元类型的命令菜单 图3.16 定义单元类型
打开Library of Element Type对话框 如图3.16从中选择Solid和Tet 10Node 185选项，按OK按钮，点击Close按钮，关闭单元类型对话框即可，从而结束当前单元类型的添加架。
主菜单中选Main Menu: Preprocessor----Material Props----Material Model命令，打开定义材料模型属性（Define Material Model Behaviour)窗口，如图3.17，依次单击Structural----Linear----Elastic----Isotropic,展开材料属性的树形结构。将打开1号材料的弹性模量和泊松比的定义对话框，分别在EX和PRXY文本框中输入数值210GPa和0.3后，点击OK,退出定义材料模型属性的窗口，至此完成材料模型属性的定义。
图3.17 定义材料属性
3.4.3划分网格
然后开始对三维实体开始网格划分
选择主菜单：主菜单——预处理---网格划分命令----网格划分工具命令，如图3.18所示，打开网格划分工具的对话框，点击线选择域中的“设置”按钮，图3.19线选择对话框，选择定义单元划分数线，按OK；在图2.28控制划分网对话框的文本框中输入10，点击“确定”按钮；然后选择体积网格域网，点击，打开图3.20选择”对话框，选择合适的号码，
然后点击选择按钮，立即全部选中，然后Ansys就可以划分出网格。
图3.18 网格划分命令 图3.19 线选择对话框 图3.20 控制线分网
图3.21网格划分完成 图3.22 施加负荷
3.4.4定义边界类型及施加载荷
Main Menu---Preprocessor---Loads---Analysis Type---New Analysis ，在弹出的New Analysis 对话框中选择 Static 静力学分析。
Main Menu---Solution---Define Loads---Apply---Structural---Displacement---On Areas 选项对
联轴器施加边界条件，在联轴器的一个十字轴上施加 UX、UY、UZ方向的约束，如图3.22所示。
Main Menu----Solution----Define Loads----Apply----Structural----Force Moment---On Node选项，在另一个十字轴侧面施加扭矩 1160.8N•m。
图3.23 选取目标的点的图 图3.24 对联轴器施加载荷后的图
施加边界条件和载荷情况如图3.24所示。
3.4.5开始求解
Main Menu :Solution----Solve----Current LS命令，打开一个需要确认的对话框和状态列表。
图3.25 解决当前载荷确认不住对话框 图3.26 选取每一个平面查看
3.4.6查看求解结果
Main Menu---General Post proc---Plot Results---Contour Plot---Element Solu 观察单元应力云图，如图2.27至2.29所示。
图3.27 XY面的剪切应力 图3.28 YZ面的剪切应力
图3.29 ZX平面剪切应力 图3.30 选取各方向的应力
从各个方向的应力，查看结果如图3.31至3.34所示。
图3.31 X轴方向的应力 图3.32 Y轴方向的应力
图3.33 Z轴方向的应力 图3.34 总的应力强度 Main Menu---General Post proc---Plot Results---Contour Plot---Nodal Solu 观察节点应力云图
图3.35 节点的应力强度
表4.1 联轴器最大应力分布情况
以上是对联轴器的静态学分析，以上各图显示了最大扭矩时分别沿 XY 面、YZ面、ZX 面的剪切应力，也显示了沿 X 轴、Y 轴、Z 轴的应力分布。表 4.4中的最大应力分布，它可以从XY 面、YZ 面、ZX 平面内的应力相对较小，沿X轴、Y轴的拉压应力相对较大。单元最大应力 σ=237.376Mpa，而已知十字轴的最大屈服极限σs＝347Mpa，σ
结束语
联轴器作为我们机械中非常重要的元件，应用广泛。第二章的范例使用超级普遍使用的剖析流程ANSYS 以半凸缘联轴器，剖析了凸缘联轴器在受周向力和纵向力载荷时的应力与应变分布分布情况。从上面的分析，我们可以知道它的应力和应变耦合的正常运行都在允许的范围内，这样的设计是合理的。根据十字轴万向联轴器在加载情况下，危险的工作条件中，第三章开始进行静强度分析，得出了应力应变云图， 该联轴器的最大扭转力矩工作状况下，工作的时候应力首要是汇集在两边的十字轴上，其中最大的应力也是在十字轴材料的屈服极限的范畴内的。所以我们可以通过观察范例得出的结果，这样就能证实此类设计确实是设计是吻合强度要求。
在本次设计中，要求任务内容是通过毕业实习收集相关资料，了解相关设备的现场使用情况，写出开题报告。首先对两种联轴器开始明确的认识；联轴器材料和结构的选择；尺寸的确定；绘图并撰写设计说明书。在设计期间通过对所研究对象既两种联轴器完成了三维图形的建立，并导入ANSYS开始有限元分析，分析静力作用下的应变等，并查看结果。但是，由于电脑自身配置稍低及时间有限等原因，在完成过程中还有一些缺陷。在以后的学习中还会继续开始有限元的学习、应用等，希望能够更加完善。
参考文献
[1] 谭庆昌，赵宏志，曾平 .机械设计 .吉林科学技术出版社 2000年5月出版: 349-358. [2]孙恒 .机械原理[M]. 北京: 高等教育出版社. [3] 陈家瑞.汽车构造[M].机械工业出版社2005.
[4]刘相新,孟宪顾. ANSYS基础与应用教程 . 北京:科学出版社 2006.
[5]邓海顺,许贤良 . 凸缘联轴器的有限元分析[J] .煤矿机械 2004年:52～-53. [6]陈精一 . ANSYS工程分析实例教程[M]. 中国铁道出版社 2006年8月.
[7] 李皓月,周天朋,刘相新. 编著ANSYS工程计算应用教程[M]. 北京 :中国铁道出版社 ,2003. [8]赵汝嘉.机械结构分析的有限元法[M].华中理工大学出版社2001. [9]汪树玉,刘国华.结构优化设计的现状与进展[M].基建优化 2004.
[10]朱彤 .基于Ansys的珠联轴器的有限元分析[J] .机械制造 2005 :31～34 .
[11]任少云,朱正礼,张建武 .双十字轴万向节传动力学建模与仿真 .上海交通大学学报 .2004 年第 38 卷.
[12]杨贵明 .SWC 型十字轴式万向联轴器 .机械工程师. 2004 年:第 1 期 29～30.
[13]丁永祥,夏巨谌. 有限元网格自动生成算法的最新进展[J] .中国机械工程. 2003年6月. [14]黄世琦 .大型十字轴式万向联轴器中十字轴的有限元分析及形状优化[J] .重型机械 .2007年12月.
[15]李勇 .万向联轴器的选型设计. 江苏冶金 .2000 年:第 2 期 76～78.
致谢
本次毕业设计中，李建心老师在选题、设计等环节给予了专业细致的指导，严格要求，循循善诱，让我养成了良好的科研思维习惯，获取了有限元分析法更深层次的知识。另外，李瑞娟同学热心方便的软件安装包为我的毕业设计带来极大方便，在此表示感谢。通过此次毕业设计，在李老师的科学指导下，我获益匪浅，在此谨向母校辛勤栽培我的老师致以崇高的敬意和衷心的感谢。