過盈聯(lián)接的有限元模擬

2013-06-16 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

過盈聯(lián)接的應(yīng)力集中對(duì)聯(lián)接的可靠性和疲勞壽命有直接影響,需對(duì)過盈配合表面上產(chǎn)生的應(yīng)力集中分析。傳統(tǒng)的計(jì)算方法,由于假定過盈配合面上的壓力均勻分布,利用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)確定軸兩端應(yīng)力集中大小,與實(shí)際存在差距;而過盈聯(lián)接的計(jì)算、選用和校核通過第三強(qiáng)度理論的當(dāng)量彎矩法,對(duì)強(qiáng)度校核結(jié)果較為有限,無法了解材料應(yīng)變部分和范圍,尤其對(duì)應(yīng)力接近或超出材料屈服極限的配合很難判斷,且分析過程得到聯(lián)接件各點(diǎn)的應(yīng)力變化。故以ADINA有限元軟件分析丁具,對(duì)軸毅過盈聯(lián)接模擬,得出過盈聯(lián)接中軸毅的應(yīng)力情況。

1 有限元模擬

利用ADINA-PLOT可觀察計(jì)算結(jié)果,繪制網(wǎng)格變形圖、應(yīng)力或溫度結(jié)果的云圖、支反力、速度或應(yīng)力的矢量圖等,還可繪制計(jì)算結(jié)果的時(shí)間歷程圖,或某結(jié)果沿模型中某條線段的分布變化圖等。

    1.1有限元模型的建立

設(shè)軸、毅材料均為40Cr、彈性模量E = 2.06 X10"Pa、泊松比u=0.3,并將軸、毅取為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),建立軸毅過盈聯(lián)接的簡(jiǎn)化模型。其中,軸孔直徑D = 30mm軸孔長(zhǎng)度l = 20mm,軸長(zhǎng)度L=50mm,選取基孔制優(yōu)先配合Φ30(H7/s6),最大過盈量為0.059mm.

為與過盈配合聯(lián)接組件的工況接近,在有限元分析中須合理確定其相互作用關(guān)系、約束條件及載荷在其上的分布狀態(tài),并進(jìn)行簡(jiǎn)化。故將軸孔內(nèi)表面(目標(biāo)面)和軸外表面(接觸面)確定為接觸副;將毅的外表面X, Y, Z方向全自由度約束,除軸的Z方向具有移動(dòng)自由度外全部約束,并使軸沿圖1中的Z軸位移-20mm。該作用點(diǎn)選在軸端面的主節(jié)點(diǎn)上。為產(chǎn)生整體效果,將軸端面各節(jié)點(diǎn)與力的作用點(diǎn)進(jìn)行剛性連接,便可借移動(dòng)一點(diǎn)而使軸產(chǎn)生位移,使模擬軸毅的動(dòng)態(tài)過盈配合。毅內(nèi)表面和軸外表面間的摩擦系數(shù)取0.2,接觸配合過盈量取最大值0.059mm。建立有限元網(wǎng)格劃分模型如圖1.

過盈聯(lián)接的有限元模擬ansys培訓(xùn)的效果圖片1

ADINA對(duì)實(shí)體造型時(shí),依軸毅聯(lián)接情況構(gòu)造。當(dāng)軸與毅裝配時(shí),軸可把毅的孔徑脹大。但在有限元分析中,軸不能把毅的孔徑脹大,而軸毅間會(huì)發(fā)生干涉,實(shí)體造型時(shí)構(gòu)件發(fā)生干涉,構(gòu)件間的干涉(即有限元軟件中規(guī)定的實(shí)體穿透)超過軟件的允許值時(shí)將導(dǎo)致數(shù)值模擬無法進(jìn)行,表現(xiàn)為計(jì)算不收斂。為此模擬采取“熱裝配”方法。即在軸毅裝配前,先對(duì)軸施加負(fù)溫度,使軸整體收縮,再恢復(fù)到收縮前的溫度,可將軸毅裝配L,也可模擬軸毅的靜態(tài)過盈配合。

因在軸發(fā)生整體收縮時(shí),軸與毅不接觸,軸將發(fā)生剛體移動(dòng)。為不發(fā)生剛體移動(dòng),需在軸的兩端點(diǎn)施加彈簧限制沿Z軸的移動(dòng)自由度,并定義彈簧在軸與毅發(fā)生接觸前起作用。ADINA軟件中彈簧單元屬約束條件中的一種,與邊界約束條件的區(qū)別是彈簧單元發(fā)生作用的時(shí)間可按模型所需控制,而邊界條件一旦施加就不能取消。施加彈簧單元相當(dāng)于在節(jié)點(diǎn)上施加阻尼。軸毅的約束模型如圖2.

    1.2分析結(jié)果

圖3是聯(lián)接組合靜態(tài)過盈配合的等效應(yīng)力云圖,圖4是靜態(tài)過盈配合的軸的應(yīng)力云圖?？梢?軸毅間的接觸應(yīng)力在軸毅過盈接觸的中部應(yīng)力最大,且由此向軸的兩端逐漸擴(kuò)散、減小,在兩軸端達(dá)到最小值。實(shí)際實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果相符合。

過盈聯(lián)接的有限元模擬ansys培訓(xùn)的效果圖片2

圖5是聯(lián)接組合動(dòng)態(tài)過盈配合的等效應(yīng)力云圖,圖6是動(dòng)態(tài)過盈配合的軸的應(yīng)力云圖。其接觸中部應(yīng)力也最大,并向兩軸端減小。由圖3-圖6可見,裝配過程中的應(yīng)力、等效應(yīng)力比裝配好的應(yīng)力、等效應(yīng)力小。通過控制時(shí)間步的操作或動(dòng)畫更能直觀顯示整個(gè)模型在裝配過程中的變化。

過盈聯(lián)接的有限元模擬ansys培訓(xùn)的效果圖片3

2 結(jié)論

從后處理得到的有關(guān)資料綜合分析可知:ADINA有限元分析軟件用于過盈配合模擬、應(yīng)力核算完全適用。將獲最大應(yīng)力值代入相應(yīng)的核算公式,即可獲得過盈配合聯(lián)接組件的工作可靠性信息,給軸毅過盈聯(lián)接的設(shè)計(jì)、校核提供一種新方法,通過有限元分析,可方便快捷的修改各種參數(shù),縮短研發(fā)試制周期、降低制造成本,為過盈配合的聯(lián)接強(qiáng)度分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。

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