花键联接是机械传动中常见的联接形式，是由轴和轮毅孔周向均布多个凸齿和凹槽所构成的.由于是多齿传递载荷，因此承载能力高，对轴的削弱程度小，具有定心精度高和导向性能好等优点。花键联接按齿形可分为矩形花键联接和渐开线花键联接。键齿两侧是工作面，花键靠工作面受到的挤压来传递转矩。花键常见的失效形式是齿面压溃、个别齿根剪断或弯曲折断，所以在设计花键齿时需要进行强度校核。
本文以矩形花键为例，运用Pro/E的有限元模块Pro/MECHANICA，对矩形花键的传统有限元分析方法ANSYS进行适当的补充与改进，提高了ANSYS的分析精度和效率。同时，可以将此方法引申到其他机械零件的有限元分析工作中去，如齿轮等复杂型面零件。
1 花键齿传统有限元分析方法的不足与改进
1.1 ANSYS的特点及不足
ANSYS软件是当今广泛使用的有限元分析工具,ANSYS能与多数CAD软件结合使用，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。ANSYS拥有相对独立的前、后处理模块，因此能够完成多领域的分析任务。
ANSYS的不足之处是: ANSYS的前处理能力的不足，即图形驱动技术支持界面的可管理性和操作性较差，无法完成复杂零件的建模，导致对模型结构分析的可信度大大降低，影响了工作效率。
当前的一些大型三维CAD造型设计软件如Pro/E,UG等具有建模的优势，解决ANSYS这一不足之处的方法是利用格式转换实现数据共享，即先利用这些造型软件进行精确的三维造型，然后通过标准数据接口，将模型以STEP或IGES格式读入有限元分析软件ANSYS中，在ANSYS中继续完成模型的属性定义、约束定义、载荷定义和划分网格等工作，最后进行有限元的分析计算，并将分析结果以图片动画方式显示，并保存至文件，
在将Pro/E图形文件(特别是复杂实体模型文件)转换成ANSYS可识别文件的实际过程中有时会发生一些问题，其主要问题是:
1)pro/E造型过程的某些特殊的处理方法不能为ANSYS分析工具所识别，如面与面的重叠部分;
2) ANSYS不能对Pro/E造型中的一些局部特征进行网格划分，如细长曲面;
3) Pro/E造型软件定义图元的方式与ANSYS不完全一致，从而产生一些特殊的图形格式，并在ANSYS有限元分析中产生异议，因此在分析计算前往往需要花费大量的时间和精力进行几何模型的修补工作，这势必会造成模型的不一致和分析精度的降低.
1.2有限元分析方法的改进
本文基于Pro/E中的有限元分析模块MECHANICA，直接调用Pro/E生成的模型数据(包括点、线、面和体)，完成有限元分析的建模工作，划分网格，生成批处理作业命令文件(*.ans格式)。此文件可直接或稍加修改后即可用于ANSYS有限元分析工具。其优点是:由于Pro/E特征的相关联性，因此更改模型方便;处理过程中模型的一致性好，数据完整，可以克服ANSYS分析工具的前处理能力的不足，大大提高了整个有限元分析工作的效率，在这种情况下，有限元模型的建模质量好坏将直接关系到分析精度和效率，所以建立精确的三维模型是以上分析的前提。
2 基于Pro/MECHANICA的花键轴有限元分析前处理
在Pro/E中，花键有限元建模的主要工作包括实体建模、单位、材料、载荷、约束的定义、网格划分、有限元分析定义和文件输出.花键轴属于回转体的复杂模型，因此通过合理的假设，将花键轴简化为对应的物理模型且只受纯转矩载荷，在简化的过程中，假定模型是各向同性的且没有内部缺陷.
2.1模型的建立及属性的设定
由于矩形花键的失效形式主要是齿面压溃、个别齿根的剪断或弯曲折断，因此为了提高分析效率，对花键进行受力分析时，可以只研究花键轴上的一个齿型。
实体建模用加材料、拉伸建立整体模型，再利用剪切材料、拉伸对其进行修改，形成花键轴模型。根据花键轴材料的力学性能(主要是弹性模量E,剪切模量G和泊松比，)设定材料属性。有限元分析需要划分单元体网格，而设定单元体属性是网格划分的前提，其目的是控制节点、单元体和载荷的显示特性。
启动有限元分析模块:在主菜单上单击“应用程序”选项，选择MECHANICA，进入有限元分析环境，创建当前有限元分析坐标系:在“strc model"菜单中依次单击“current csys"/"create"，在弹出的“坐标系”对话框中依次选取三个基准平面，利用这三个基准平面创建一个笛卡儿坐标系。
添加约束与载荷。分析花键轴上键齿的约束与受力，约束包括花键齿底面、两侧壁及一个端面，键齿的底面受到x,y,z三个方向平动和转动的完全约束，选择键齿底面，单击“OK”则在花键齿底面上以小三角形显示添加的约束，以同样的方法给花键齿侧壁和端面添加同样的约束.在纯转矩的作用下，键齿的单侧受到挤压力的作用，选择受力侧面并在其上添加载荷，三个面的约束和压力载荷添加后的花键模型如图1所示。
图1 添加约束及载荷后的花键模型
2.2有限元分析的定义及网格的划分
设置和划分网格.选择将要划分最大网格的面组(maximum element size)，设置最大网格数为1,选择将要划分最小网格的面组〔minimum element size)，设置最小网格数为0.1，完成网格定义。运行分析定义和模型结果输出:进人运行有限元分析对话框，选择ANSYS求解器，设置分析类型为结构和元素形状为线性(linear)，然后选择要运行的分析模型，指定文件输出存放路径‘运行网格划分，在输出模型网格划分图的同时，Pro/MECHANICA分析工具就可以在指定的路径下写入“*.ans"格式类型的数据文件，文件中包括了有限元分析的材料、载荷、约束、节点等各种信息，网格划分的结果见图2。
从图2可以看出，齿两侧边缘线上网格划分比较密集，这是因为倒圆角的半径相对其他平面(或曲面)非常小，属于局部小平面。正是由于这类特征造成了如果将模型直接从Pro/E导入ANSYS会发生网格划分不完整的现象，而Pro/Mechanica是在Pro/E的集成模式下运行的，所以不会发生这种问题。
图2 网格划分的结果
