基于偏心轮机构有限元分析的研究

材料选为铝合金，电机轴为45钢，能减轻产品的重量，同时能降低产品成本。

2 机构的有限元分析

有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。但是，这对我们进行偏心轴的可靠性和稳定性分析是十分有用的。

2.1 ANSYS静力学分析

对偏心轴传动机构使用ANSYS对其进行静力学分析，在以上进行了结构的理论受力分析和所受力的因素，在对模型分析时暂不考虑其机构所产生的摩擦等其它的损伤，对电机轴的扭矩数值为此上算出的101N·m。下图3和图4分别为偏心轮与电机轴的应力分布云图。

上图3为偏心轮的应力分布云图，如图所示偏心轮在受到电机轴的转动扭矩后所承受的应力分布，云图红色为应力分布的最大部位，最大应力大约为26MPa，最大应力集中分布在孔的边缘处，其中在孔的平面接触部分应力尤其过大，有可能在机构的传动工作中会出现这些部位崩溃失效，应在设计时对这些部位进行结构的优化，避免出现一些部位应力过大。

上图4为轴的应力分布云图，电机轴为机构的驱动机构，其重要性不可言喻，虽电机轴是和电机是为一体的，但可通过对其所受应力分布情况可知此电机轴能否承受其传动工况，如图所示最大应力大约为7.2×103MPa，整体的受力分布较成阶梯型，没出现应力急剧变化部位，可根据电机轴的材料属性知是否满足工作需求。

2.2 模态分析

做模态分析使用工程分析软件ANSYS，进入此软件的模态分析模块，在之前模型的构建中使用Solidworks进行其三维建模，在软件中的步骤和参数设置就不再详说，对此模型进行前7阶模态的分析，表1为分析数据。

结构振动可由每阶固有振型的线性组合表示，其中低阶固有振型较高阶固有振型对结构的振动影响较大，低阶振型对结构的动态特性起决定作用，因此进行结构振动特性分析计算时提取了轴的前阶频率。如图5所示，给出了第4阶到第7阶频率下对应的振型图。

模态分析的好处：使结构设计避免共振或以特定频率进行振动;使工程师可以认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的;有助于在其它动力分析中估算求解控制参数。其用于确定设计结构或机器部件的震动特性（固有频率和振型）。固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数，也是模态分析、谐响应分析和瞬态动学分析中必要的参数;并且可通过此分析得到对坎贝尔云图，得此构件的固有频率或者旋转的临界转速，以避免实际中，机械由于振动而出事故或者出现重大损坏。这可留作读者或者本人对其做进一步的研究与分析。

3 结论

通过对偏心轮传动机构进行ANSYS的有限元分析，得到了其应力分布情况和模态分析所求的低阶振型图。

（1）通过对机构的ANSYS静力学分析，可得到此机构在工作时的最大应力分布情况，并对其机构进行优化与改进提供了证据支撑。

（2）通过对机构的ANSYS的模

态分析，可得偏心轴的固有振型，可预防发生共振等不良现象，并为此后做瞬态分析及谐响应分析做准备。

（3）ANSYS已成为产品设计中及其重要的仿真分析软件，可对产品安全与可靠性提供巨大的保障。

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