ANSYS Workbench传动轴优化静力学仿真

1 有限元分析基本理论

1.1 有限元法简介

在工程科技的不断进步中，固体力学作为核心学科，对于飞行器、船舶、车辆、机械装备、水坝、桥梁和建筑物等工程结构的设计分析具有至关重要的作用。自20世纪40年代以来，科研人员已经提出并发展了多种理论方法，包括变分法、差分法和松弛法等，为简单结构模型的分析提供了精确的解析解或数值解。然而，面对日益复杂的实际工程结构，这些传统方法往往难以提供足够精确的分析结果。

在实际工程应用中，设计者通常会通过近似分析对具体工程结构进行初步设计，然后结合经验与已建工程的类比来确定最终设计方案。为确保结构的安全性，还会依据模型实验结果适当提高安全系数。

随着20世纪40年代中期大型计算机的出现，科研人员开始利用计算机对杆件结构力学中的力学和变位法的基本方程进行解析，推导出了矩阵力法和矩阵位移法。在此基础上，20世纪50年代中期，有限单元法（FEM）应运而生。

有限单元法将连续介质离散成一系列单元格，将无限自由度问题转化为有限问题，并利用计算机进行求解。这种方法适用于分析形状复杂的结构，因此迅速受到科研界的广泛关注，并迅速拓展到固体力学的各个分支领域，如流体力学和热传导学等。如今，有限元法已成为工程计算中的重要方法。

有限元法是一种高效且实用的计算方法。在工程计算领域，通常需要求解各种微分方程，但大多数微分方程的精确解并不容易获得。通过有限元法将微分方程离散化后，可以编写相应程序并通过计算机进行求解，从而得到微分方程的近似解，其精度可在一定程度上无限接近于精确解。这为微分方程的求解提供了一个高效率、高精度的计算方法。

最初，有限元法的理论发展基于变分理论，因此更多地应用于物理场中。然而，到了20世纪60年代，科研人员在流体力学中通过对余数法中的迦辽金法（Galerkin）进行加权运算或最小二乘法运算时也得到了有限元方程。这使得有限元法能够应用于任何由微分方程描述的各类物理场中，而不再要求这些物理场必须与泛函的极值问题有联系。

1.2 有限元法的特点

有限元法（FEM）已成为解决工程和科学问题的主流数值分析工具。相较于其他数值方法，有限元法展现出多个显著优势：

（1）对于实际工程中遇到的各种复杂形状和非均质材料构成的实体结构，有限元法能够提供精确的分析。这意味着，无论是流体动力学中的复杂流场，还是复合材料的应力分布，FEM都能够有效地模拟和预测。

（2）FEM能够模拟复杂的材料本构关系、施加的荷载以及边界条件。例如，岩土工程中的渗流问题、初始应力和应变场，以及混凝土结构中的不均匀温度场等，这些在实际物理模型中难以模拟的现象，都可以通过有限元法得到有效处理。

（3）有限元法在结构动态分析方面具有独特优势。在过去，科研人员主要针对静力学问题进行精确求解，而对动力学问题的处理则相对困难。有限元法的出现极大地改善了这一状况，使得结构动力学问题的精确求解成为可能。

（4）随着预处理和后处理技术的不断进步，FEM能够对多种设计方案进行比较分析，并通过图表及时展示计算结果。这不仅有助于优化设计方案，还提高了工程设计的效率和准确性。

1.3 有限元法分析过程

有限元分析的求解过程可概括为三个主要步骤：

步骤一：网格剖分（Meshing） 在这一步骤中，待求解的连续体区域被划分为有限数量的元素，形成一个离散的集合。理论上，这些元素可以采取任意形状。对于二维问题，常用的元素类型包括三角形和矩形；而在三维问题中，则通常采用四面体或多面体元素。每个元素的顶点称为节点（或结点）。

步骤二：元素分析（Element Analysis） 在此阶段，进行局部的分片插值。这意味着在每个离散元素内，利用特定的形状函数和节点上的函数值，对元素内任意点的未知函数进行插值展开。这可能涉及建立线性或非线性插值函数，以便在局部层面上近似真实的物理行为。

步骤三：方程求解（Solution of Variational Equations） 将连续体离散化为一系列元素后，这些元素被进一步组织成组，并赋予相应的函数值。这样，可以解决实际工程和物理问题。通过这种方式，连续体被转化为一个代数方程组，其中包含了有限个能量方程和加权余量方程。这个方程组的解即是有限元法的解。

有限元法的核心在于将整个连续体离散化，将其分解为有限的单元集合。例如，对于一个杆系结构，离散化后的每个单元代表一个单独的杆件。类似地，对于一个连续体，离散化最终产生的单元可能包括三角形、四边形、六面体等各种形状。每个单元的物理场函数由简单的场函数组成，这些场函数仅依赖于有限个节点参数。当这些单元场函数组合在一起时，它们能够近似表示整个连续体的物理场函数。

最终，通过求解由能量原理和加权残差法导出的代数方程组，获得了有限元法的数值解。这个解是对原始连续体问题的近似，其精度取决于网格剖分的细密程度和所采用的插值函数的类型。

2 Ansys workbench有限元分析软件

在ANSYS 7.0版本问世之前，ANSYS公司致力于研发其核心产品ANSYS。这一版本通过其仿真效果的卓越和效率的显著，赢得了工程界的广泛赞誉。然而，尽管取得了如此成就，该版本在仿真模拟操作方面存在明显的不足，即用户必须通过编写复杂的程序才能进行仿真，这限制了其在工程领域的普及应用。

随着ANSYS公司成功推出ANSYS Workbench这一新型号，局面发生了转变。ANSYS Workbench以其创新的用户界面和工作流程，简化了仿真过程，极大地提升了用户体验，因此迅速被广泛应用，其普及程度甚至超越了传统的ANSYS经典版本。目前，ANSYS Workbench已经发展到24.0版本，继续引领着行业的进步。

ANSYS Workbench作为一个先进的仿真平台，具备分析和模拟复杂机械系统的能力。它涵盖了结构静力学、结构动力学、刚体动力学、流体动力学、结构热力学、电磁场分析以及多物理场耦合分析等多个领域。这些功能使得工程师能够对机械系统进行全面的性能评估，从而优化设计，提高产品的可靠性和性能。

在结构静力学方面，ANSYS Workbench能够模拟材料在静态载荷下的响应，包括应力、应变和位移等参数。在结构动力学分析中，该平台可以模拟结构在动态载荷下的行为，如振动和疲劳。刚体动力学分析允许工程师研究物体在受到力和扭矩作用时的运动情况。

流体动力学模块使工程师能够模拟液体或气体在各种条件下的流动行为，这对于设计高效的流体传输系统至关重要。结构热力学分析则关注材料在热载荷下的行为，包括热膨胀和热应力。

电磁场分析功能为电气和电子系统的设计和优化提供了强大的工具，而耦合场分析能力则允许工程师研究多个物理场之间的相互作用，这对于解决实际工程问题尤为关键。

总之，ANSYS Workbench通过其强大的仿真功能和用户友好的界面，已经成为工程领域中不可或缺的工具，帮助工程师在设计、分析和优化复杂机械系统时做出更加精确和有效的决策。

3.%2.%3 Ansys workbench软件特点

ANSYS Workbench作为一种集成仿真平台，其功能和特性体现在以下几个方面：

（1）项目流程的组织与管理：

ANSYS Workbench通过将结构设计的初步阶段和最终优化阶段整合于单一项目框架内，实现了各分析步骤之间的有机连接。这种集成化的方法确保了分析过程的连续性和一致性，同时，通过对整个项目的集中管理，提高了工作效率和结果的准确性。

（2）与其他建模软件的兼容性：

ANSYS Workbench具备与其他计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助工程（CAE）软件的兼容性，支持模型的导入与导出。这一特性允许工程师利用多种软件的优势，进行更为复杂的设计和分析，同时保持数据的完整性和准确性。

（3）高效的网格划分能力：

对于结构复杂的实体模型，ANSYS Workbench提供了高效的网格划分工具，能够生成精细且平滑的网格。这确保了仿真分析的精确性，尤其是在处理具有复杂几何形状或边界条件的结构时。

（4）全面的计算分析功能：

ANSYS Workbench涵盖了工程实践中的绝大多数分析类型，包括结构静力学、动力学、流体动力学、热分析和电磁场分析等。这些功能使得工程师能够对各种物理现象进行全面的模拟和分析。

（5）材料属性的自由定义：

与某些仿真软件不同，ANSYS Workbench允许用户自由定义材料属性。当材料库中不存在特定材料时，工程师可以根据实际情况自定义材料参数，从而提高分析结果的精确度和实用性。

（6）用户友好的操作界面和低入门难度：

ANSYS Workbench在Windows操作系统下运行，拥有直观明了的用户界面，极大地方便了设计人员的操作。尽管有限元仿真分析的原理和技术要求较高，但ANSYS Workbench通过提供更加管理和用户友好的方法，降低了软件的使用难度。即使是对有限元仿真不熟悉的用户，也能够较容易地对简单结构进行仿真分析。

4.%2.%3 Ansys workbench具体运行过程

ANSYS Workbench的仿真分析流程可以概括为以下四个主要步骤：

（1）前处理阶段：

这一阶段的核心任务是为仿真分析设定基础。首先，需要确定分析类型，这可能包括静力分析，用于评估结构在恒定载荷下的行为，或模态分析，用于确定结构的自然频率和振型。接下来，选择合适的单元类型是至关重要的，例如壳单元适用于薄壁结构，而实体单元适用于三维实体。此外，模型类型的选择也在此阶段进行，区分零件和组件有助于管理复杂的装配体。

（2）建模与网格划分阶段：

在这个阶段，将创建或导入几何模型，这是仿真的基础。几何模型的准确性直接影响到分析结果的可靠性。随后，定义材料属性是确保仿真反映真实情况的关键一步。材料的性质，如弹性模量、泊松比和热膨胀系数等，需要根据实际应用场景进行设置。最后，网格划分是将连续的几何模型离散化为有限元模型的过程，网格的质量直接影响到求解的精度和效率。

（3）荷载与约束施加以及求解阶段：

在这个阶段，工程师需要在模型上施加相应的荷载和约束条件，这些条件模拟了实际工作环境中结构所承受的外部影响。荷载可以是力的分布，约束可以是固定支撑或滑动界面。施加完这些条件后，进行求解运算，软件将使用有限元方法计算结构的响应。

（4）后处理与结果验证阶段：

最后阶段涉及对求解结果的分析和验证。工程师将检查各种物理量，如应力、应变、位移等，以评估结构的性能和安全性。结果的可视化呈现对于解释数据至关重要。此外，结果的正确性需要通过与实验数据或其他仿真工具的结果对比来验证，以确保仿真分析的可靠性。

具体运行过程如下图所示：

在机械工程领域，有限元分析（FEA）是一种重要的数值计算方法，用于预测复杂实体模型的行为和性能。这一过程通常涉及以下三个主要步骤：

（1）前处理（Pre-processing）：

前处理阶段是有限元分析的基础，它为后续的模拟计算做准备。在这一阶段，工程师首先需要构建或导入几何模型，这是对实际物理对象的数字表示。几何模型可以通过三维CAD软件创建，或者从其他来源导入。接下来，必须定义材料属性，如弹性模量、泊松比、密度等，这些属性将影响模型的响应。然后，进行网格划分，即将连续的几何模型离散化为有限元模型，这一过程涉及确定节点的分布和单元的类型。网格划分的质量直接关系到分析结果的准确性和计算效率。此外，前处理阶段还包括将边界条件和荷载应用到模型上，确保它们能够正确地传递到有限元模型中，以便进行结构分析。

（2）加载并求解（Solution）：

在模型准备就绪后，下一步是加载并求解。这一阶段包括以下几个关键任务：

自由度（Degrees of Freedom, DOF）：为结构单元中的节点定义自由度值，这决定了节点的运动能力和约束条件。

面荷载：包括线荷载和作用在结构表面上的分布荷载，这些荷载模拟了实际结构在使用过程中可能遇到的表面力。

体积荷载：指作用在结构体积内部或物理场区域内的荷载，如温度变化或重力场。

惯性荷载：考虑结构的质量分布和惯性效应，如地震荷载或加速度。

在施加荷载和定义问题参数后，必须进行核查，确保所有设置正确无误。然后，使用有限元求解器进行计算，得到模型的响应。

（3）后处理（Post-processing）：

求解完成后，进入后处理阶段，这一阶段的目的是分析和解释求解结果。后处理可以分为两类：

一般后处理：允许工程师在特定时间点查看整个模型的模拟结果，包括应力、应变、位移等参数的分布。

时间历程后处理：用于在不同时间点或荷载步骤下查看模型的模拟结果，这有助于理解模型随时间的动态行为。

通过后处理，工程师能够验证设计是否满足性能要求，检查潜在的弱点，并进行设计优化。这一阶段对于确保产品的安全性和可靠性至关重要。

5 传动轴模态分析

模态分析在机械结构振动特性分析中扮演着关键角色。它能够揭示机械结构的固有频率、振动模态，以及相应的振幅和相位等核心数据。这些信息对于机械结构振动特性的设计和优化至关重要。以高速旋转机械设计为例，避免固有频率与旋转频率共振是必要的，因为共振可能导致机械结构的不稳定甚至损坏。通过计算机械结构各个振动模态的振幅和相位，我们能对机械结构的振动特性进行评估，包括振幅分布、振动模态之间的耦合情况等。模态分析不仅用于评估，还能预测特定激励条件下，机械结构的振动反应，进而为机械结构的动态响应控制和故障诊断提供指导。总而言之，模态分析为我们深入理解并处理机械结构的振动特性提供了重要支持，有助于机械结构的设计、优化，以及故障的识别和诊断。

5.1 模态分析基本原理

5.1.1 模态分析概述

无论简单或复杂，都可以是具有特定惯性和弹性特性的单一部件或由多个部件组成的装配体。这些结构涵盖了广泛的范畴，包括桥梁、建筑物、船舶、飞机、汽车以及其他各种设备。它们共同的特点是，每个机械结构都可视为由众多组件构成的整体，并具有影响其性能和行为的惯性和弹性属性。

机械结构的振动特性，即它们的振动和响应行为，是由这些惯性和弹性特性决定的。振动对机械结构的影响非常显著，因为它直接关联到结构的寿命、可靠性、安全性，以及工作精度和效率。过度的振动不仅可能导致机械性能下降，还可能引发结构损坏，从而影响整体安全。

因此，在设计机械结构时，设计师必须考虑外部因素对结构可能造成的影响，并采取措施来控制由这些外界干扰引起的振动幅度。这通常涉及应用合理的结构设计和采用有效的振动控制策略，以确保机械结构能够在各种条件下正常运行，并保持长期的稳定性和性能。通过这样的设计和控制措施，可以优化机械结构以抵御振动相关的风险，确保其持续可靠的性能。

模态分析在机械设备的设计、运行以及故障诊断中起着至关重要的作用。它不仅可以确定机械设备的固有频率和振动模态以避免共振现象，而且还可以提供振动幅度等关键信息来指导结构的优化。

以下是对模态分析的一些具体应用方面的总结：

1.评估和优化设计：模态分析可以在新产品设计阶段预估结构的动态特性，帮助设计师进行振动特性的优化设计，从而提高产品的性能和可靠性。

2.故障诊断和预报：通过对机械结构进行模态分析，可以识别出结构系统的载荷并诊断及预报潜在的结构故障。

3.噪声控制：利用模态分析可以有效地控制结构的辐射噪声，提高机械设备的工作环境质量。

4.动力学频域分析：作为动力学频域分析的基础，模态分析通过计算振动频率和振型，为深入理解结构的动态行为提供了基础数据。

5.改善稳定性：模态分析有助于发现机械设备存在的问题，如共振或应力集中，从而在设计和制造过程中采取措施以提高设备的稳定性。

5.1.2 模态分析的理论基础

一个结构系统的动力学行为可以准确地通过模态参数来详尽地刻画，这些模态参数包括固有频率、模态质量、模态刚度以及模态形状，他们共同构成了系统动力特性的基础。当一个结构受到外部激励，并以其某一阶次的固有频率进行振动时，该结构上的每一点将围绕其静力平衡位置产生位移。这些位移并非随机分布，而是以一种特定的比例关系出现。换言之，结构上的每个点会以一定的振型（即模态）进行同步振动，这种振型可以通过模态向量来数学表达。模态向量不仅提供了结构在特定模态下各点的相对位移信息，而且还反映了整个结构的振动形态。

模态能够描述结构的固有属性，模态振型描述了结构在特定模态下的振动形态，而固有频率是结构在没有外部激励时的自然振动频率。阻尼比则量化了结构振动衰减的速度，与系统的能量耗散机制有关。在实际的工程应用中，这些模态参数可以通过实验测试或数值计算方法来确定，这一过程统称为模态分析。

模态分析的核心在于利用坐标变换将复杂的多自由度振动微分方程转换为一系列简单的单自由度问题。这种转换通过模态矩阵实现，其列向量即代表模态振型。模态矩阵不仅简化了数学处理过程，而且提供了对结构动态行为的直观理解。

通过模态分析，能够识别出结构在各个阶次下的关键模态特性，包括模态振型、阻尼比和固有频率。这些信息对于预测结构在受到外部激励时的振动响应至关重要。此外，模态分析还可以帮助工程师评估结构是否可能因共振而遭受破坏，从而在设计阶段就避免潜在的风险，确保结构的安全性和可靠性。

如某线性系统属于有阻尼的、自由度为N维，那么在物理坐标系下的 微分运动方程可以表示成：

式中：是方程的质量矩阵；

为方程中各点的位移响应向量；

为方程中的阻尼矩阵；

为方程中各点的速度响应向量；

为方程中的刚度矩阵；

多数情况下刚度矩阵和质量矩阵属于实数对称矩阵，而阻尼矩阵不是实数对称矩阵，因此方程属于耦合方程。

当为0时，如果不考虑阻尼的作用，那么能够获得不存在阻尼结构的自由振动方程，如式所示。

当阻尼矩阵，带入式即可求解结构特征方程，得：

把式带入到，通过傅里叶变换转换为模态坐标下的运动方程：

利用模态坐标带入对其解耦，即可得到：

利用振型矩阵将质量和刚度矩阵进行对角化：

将式前乘以则可以得到：

经过结构的方程则可写为：

任意坐标系下为：

根据线性振动系统的运动方程中质量矩阵、刚度矩阵对整体结构的振动特性求解，经过归一化处理则可以得到振型、固有频率以及阻尼比。

质量矩阵为：

刚度矩阵为：

运动方程则写为：

其中：

5.2 传动轴模态分析

5.2.1 模型导入

完成连杆的座椅模型后，在另存为类型中选择step格式，这是通用的CAD数据交换格式，可以被大多数工程软件所接受，并将模型导出step格式导入到ansys workbench中。

5.2.2 设置材料参数

在Workbench的项目图表视图中，找到需要编辑的几何体，通常位于“几何”（Geometry）分支下。

在几何体上右键单击，选择“编辑”（Edit）。这将打开一个材料列表，您可以在其中选择或添加材料。

在材料列表中查找“结构钢”，这通常是ANSYS Workbench自带材料库中的选项。

选择该材料后，系统会自动填充相关的材料属性，包括密度、弹性模量和泊松比等。

根据给定的数据，确认所选结构钢材料的密度为7850kg/m³，弹性模量为2E+11Pa，泊松比为0.3。

5.2.3 边界条件

设置传动轴连接处为固定支撑。

5.2.4 网格划分

在项目图表视图中找到“模型”（Model）分支下的“网格”（Mesh）分支，右键单击选择“编辑”（Edit）。

选择整个连杆模型或指定的部分进行网格设置。

调整网格大小至15mm，这可以在“网格控制”（Sizing）选项中设置，确保全局单元尺寸为15mm。

考虑到模型的复杂性和计算资源，可以采用自适应网格划分方法，以便在需要的地方自动细化网格，提高计算精度。

5.2.5 结果分析与后处理

其前六阶模态振型和固有频率如下图所示。

一阶模态振型：

二阶模态振型：

三阶模态振型：

四阶模态振型：

五阶模态振型：

六阶模态振型：

前六阶固有频率如下图所示：

5.3 带涂层传动轴模态分析

5.3.1 模型导入

完成连杆的座椅模型后，在另存为类型中选择step格式，这是通用的CAD数据交换格式，可以被大多数工程软件所接受，并将模型导出step格式导入到ansys workbench中。

5.3.2 设置材料参数

在Workbench的项目图表视图中，找到需要编辑的几何体，通常位于“几何”（Geometry）分支下。

在几何体上右键单击，选择“编辑”（Edit）。这将打开一个材料列表，您可以在其中选择或添加材料。

在材料列表中查找“结构钢”，这通常是ANSYS Workbench自带材料库中的选项。

选择该材料后，系统会自动填充相关的材料属性，包括密度、弹性模量和泊松比等。

根据给定的数据，确认所选结构钢材料的密度为7850kg/m³，弹性模量为2E+11Pa，泊松比为0.3。

设置涂层材料为氧化镁（MgO），其密度为3850kg/m3，弹性模量为1.81E+11，泊松比为0.28，如下图所示。

5.3.3 边界条件

设置传动轴连接处为固定支撑。

设置传动轴表面涂层为MgO，设置其刚度行为是薄膜与弯曲，涂层厚度为5mm，如下图所示。

5.3.4 网格划分

在项目图表视图中找到“模型”（Model）分支下的“网格”（Mesh）分支，右键单击选择“编辑”（Edit）。

选择整个连杆模型或指定的部分进行网格设置。

调整网格大小至15mm，这可以在“网格控制”（Sizing）选项中设置，确保全局单元尺寸为15mm。

考虑到模型的复杂性和计算资源，可以采用自适应网格划分方法，以便在需要的地方自动细化网格，提高计算精度。

5.3.5 结果分析与后处理

其前六阶模态振型和固有频率如下图所示。

一阶模态振型：

二阶模态振型：

三阶模态振型：

四阶模态振型：

五阶模态振型：

六阶模态振型：

前六阶固有频率如下图所示：

6 传动轴动力学分析

6.1 静力学仿真概述

有限元分析根据结构受到的载荷是否随时间变化分为静力学分析和动力学分析。静力学分析主要用于分析结构在不随时间变化的载荷作用下的响应，例如恒定的重力、压力或其他持久作用力。这种分析假设结构的反应是瞬间发生的，不考虑时间因素和惯性力的影响，即：

式中，为单元内的位移向量；

为插值函数矩阵；

为单元内节点的位移向量。

根据弹性力学的基本理论，单元内的位移与应变的关系如下：

式中，为单元内的应变；

为应变矩阵。

根据弹性力学方程，单元内应变与应力的关系则为：

式中，为单元内任一点应力；

为弹性矩阵；

根据虚位移原理，节点位移与其节点力的关系为：

式中，为单元中的节点力；

为单元中的刚度矩阵。

在施加了相应的边界条件后，可以得到一个非奇异的刚度矩阵，进而可以求解出单元节点的力和位移，并进一步近似计算连续求解域的应力。静力学分析能够深入理解结构在已知静力载荷下的响应，包括位移、应力和应变等，通过静力学分析，可以确定模型在外部影响下的应力、应变和形变的变化规律。在分析过程中，载荷的大小和方向是恒定的，因为在静力学分析中，假设模型受到的作用力和输出结果不会随时间变化。在分析中，可以选择多种不同的载荷，如温度、位移、惯性力和压力等。

在对液压底座支架结构进行分析时，首先需要研究其在变化或者固定的载荷影响下的结构力学行为。在分析过程中，首先需要进行离散化处理，通过划分模型，使得面变为有限个单元，然后再进行细分，是单元变成有限个节点，最后组合单元构成整体，以此方式研究连续体模型，分析模型的静力学特性。

6.2 传动轴静力学仿真

6.2.1 模型导入

完成传动轴模型后，在另存为类型中选择step格式，这是通用的CAD数据交换格式，可以被大多数工程软件所接受，并将模型导出step格式导入到ansys workbench中。

6.2.2 设置材料参数

在Workbench的项目图表视图中，找到需要编辑的几何体，通常位于“几何”（Geometry）分支下。

在几何体上右键单击，选择“编辑”（Edit）。这将打开一个材料列表，您可以在其中选择或添加材料。

在材料列表中查找“结构钢”，这通常是ANSYS Workbench自带材料库中的选项。

选择该材料后，系统会自动填充相关的材料属性，包括密度、弹性模量和泊松比等。

根据给定的数据，确认所选结构钢材料的密度为7850kg/m³，弹性模量为2E+11Pa，泊松比为0.3。

6.2.3 边界条件与载荷条件

将传动轴连接部位设定为一个固定支撑点，并考虑结构本身重量的作用。在分析中，应设置标准重力场，即重力加速度沿负X轴方向，参照所附示意图。变速箱的输入端能承受的最大扭矩为4500牛顿米（N*m），因此在模拟时，需在传动轴的首个端面施加4500牛顿米的扭矩，以模拟实际工作状态下的负荷情况。

6.2.4 网格划分

在项目图表视图中找到“模型”（Model）分支下的“网格”（Mesh）分支，右键单击选择“编辑”（Edit）。

选择整个连杆模型或指定的部分进行网格设置。

调整网格大小至15mm，这可以在“网格控制”（Sizing）选项中设置，确保全局单元尺寸为15mm。

考虑到模型的复杂性和计算资源，可以采用自适应网格划分方法，以便在需要的地方自动细化网格，提高计算精度。

6.2.5 结果分析与后处理

在Workbench的项目图表视图中，找到“求解”（Solution）分支，展开该分支以查看可用的结果类型。

选择“变形”（Deformation）选项，通常是以总变形（Total Deformation）的形式展示。

在Workbench窗口中，将显示活塞的变形云图。这个云图用不同的颜色表示不同变形量的大小，通常从蓝色（变形最小）到红色（变形最大）。

仔细观察云图，特别关注颜色变化可以提供有关哪些区域受到最大变形的直观信息。

使用Workbench中的探针工具或结果摘要来量化最大变形值。将探针放置在云图中颜色最红的区域。

最大变形云图如下所示，可以看到最大变形为0.47081 mm。

最大应力云图如下图所示，可以看到最大应力为20.482Mpa，小于结构钢的屈服强度，在安全裕度范围内。

6.3 带涂层传动轴静力学仿真

6.3.1 模型导入

完成连杆的座椅模型后，在另存为类型中选择step格式，这是通用的CAD数据交换格式，可以被大多数工程软件所接受，并将模型导出step格式导入到ansys workbench中。

6.3.2 设置材料参数

在Workbench的项目图表视图中，找到需要编辑的几何体，通常位于“几何”（Geometry）分支下。

在几何体上右键单击，选择“编辑”（Edit）。这将打开一个材料列表，您可以在其中选择或添加材料。

在材料列表中查找“结构钢”，这通常是ANSYS Workbench自带材料库中的选项。

选择该材料后，系统会自动填充相关的材料属性，包括密度、弹性模量和泊松比等。

根据给定的数据，确认所选结构钢材料的密度为7850kg/m³，弹性模量为2E+11Pa，泊松比为0.3。

设置涂层材料为氧化镁（MgO），其密度为3850kg/m3，弹性模量为1.81E+11，泊松比为0.28，如下图所示。

6.3.3 边界条件与载荷条件

将传动轴连接部位设定为一个固定支撑点，并考虑结构本身重量的作用。在分析中，应设置标准重力场，即重力加速度沿负X轴方向，参照所附示意图。变速箱的输入端能承受的最大扭矩为4500牛顿米（N*m），因此在模拟时，需在传动轴的首个端面施加4500牛顿米的扭矩，以模拟实际工作状态下的负荷情况。

设置传动轴表面涂层为MgO，设置其刚度行为是薄膜与弯曲，涂层厚度为5mm，如下图所示。

6.3.4 网格划分

在项目图表视图中找到“模型”（Model）分支下的“网格”（Mesh）分支，右键单击选择“编辑”（Edit）。

选择整个连杆模型或指定的部分进行网格设置。

调整网格大小至15mm，这可以在“网格控制”（Sizing）选项中设置，确保全局单元尺寸为15mm。

考虑到模型的复杂性和计算资源，可以采用自适应网格划分方法，以便在需要的地方自动细化网格，提高计算精度。

6.3.5 结果分析与后处理

在Workbench的项目图表视图中，找到“求解”（Solution）分支，展开该分支以查看可用的结果类型。

选择“变形”（Deformation）选项，通常是以总变形（Total Deformation）的形式展示。

在Workbench窗口中，将显示活塞的变形云图。这个云图用不同的颜色表示不同变形量的大小，通常从蓝色（变形最小）到红色（变形最大）。

仔细观察云图，特别关注颜色变化可以提供有关哪些区域受到最大变形的直观信息。

使用Workbench中的探针工具或结果摘要来量化最大变形值。将探针放置在云图中颜色最红的区域。

最大变形云图如下所示，可以看到最大变形为0.47835 mm。

最大应力云图如下图所示，可以看到最大应力为18.338Mpa，小于结构钢的屈服强度，也小于优化前结构的应力，在安全裕度范围内。

6.4 结论与改进

这个最大变形值非常小，特别是考虑到单位是毫米。这样的变形程度在实际工程应用中可能不会对吊钩的功能产生显著影响。

然而，详细的评估还需要考虑座椅的工作条件、设计容差以及其他可能的影响因素，如热效应、动态加载等。

如果最大变形值超出了设计要求，可能需要进行进一步的设计优化，比如增加的厚度、改变材料或修改形状等。

可以通过调整网格划分来提高求解的精度，或者考虑更复杂的非线性分析，如大变形理论或接触分析。

此外，加了涂层后的整体结构变形和应力相比于初始模型的变形和应力有明显的降低，优化效果显著。