過盈聯接的有限元模擬

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

過盈聯接的應力集中對聯接的可靠性和疲勞壽命有直接影響,需對過盈配合表面上產生的應力集中分析。傳統的計算方法,由于假定過盈配合面上的壓力均勻分布,利用經驗系數確定軸兩端應力集中大小,與實際存在差距;而過盈聯接的計算、選用和校核通過第三強度理論的當量彎矩法,對強度校核結果較為有限,無法了解材料應變部分和范圍,尤其對應力接近或超出材料屈服極限的配合很難判斷,且分析過程得到聯接件各點的應力變化。故以ADINA有限元軟件分析丁具,對軸毅過盈聯接模擬,得出過盈聯接中軸毅的應力情況。

1 有限元模擬

利用ADINA-PLOT可觀察計算結果,繪制網格變形圖、應力或溫度結果的云圖、支反力、速度或應力的矢量圖等,還可繪制計算結果的時間歷程圖,或某結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、毅取為軸對稱結構,建立軸毅過盈聯接的簡化模型。其中,軸孔直徑D = 30mm軸孔長度l = 20mm,軸長度L=50mm,選取基孔制優先配合Φ30(H7/s6),最大過盈量為0.059mm.

為與過盈配合聯接組件的工況接近,在有限元分析中須合理確定其相互作用關系、約束條件及載荷在其上的分布狀態,并進行簡化。故將軸孔內表面(目標面)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。該作用點選在軸端面的主節點上。為產生整體效果,將軸端面各節點與力的作用點進行剛性連接,便可借移動一點而使軸產生位移,使模擬軸毅的動態過盈配合。毅內表面和軸外表面間的摩擦系數取0.2,接觸配合過盈量取最大值0.059mm。建立有限元網格劃分模型如圖1.

過盈聯接的有限元模擬ansys培訓的效果圖片1

ADINA對實體造型時,依軸毅聯接情況構造。當軸與毅裝配時,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,而軸毅間會發生干涉,實體造型時構件發生干涉,構件間的干涉(即有限元軟件中規定的實體穿透)超過軟件的允許值時將導致數值模擬無法進行,表現為計算不收斂。為此模擬采取“熱裝配”方法。即在軸毅裝配前,先對軸施加負溫度,使軸整體收縮,再恢復到收縮前的溫度,可將軸毅裝配L,也可模擬軸毅的靜態過盈配合。

因在軸發生整體收縮時,軸與毅不接觸,軸將發生剛體移動。為不發生剛體移動,需在軸的兩端點施加彈簧限制沿Z軸的移動自由度,并定義彈簧在軸與毅發生接觸前起作用。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別是彈簧單元發生作用的時間可按模型所需控制,而邊界條件一旦施加就不能取消。施加彈簧單元相當于在節點上施加阻尼。軸毅的約束模型如圖2.

    1.2分析結果

圖3是聯接組合靜態過盈配合的等效應力云圖,圖4是靜態過盈配合的軸的應力云圖。可見,軸毅間的接觸應力在軸毅過盈接觸的中部應力最大,且由此向軸的兩端逐漸擴散、減小,在兩軸端達到最小值。實際實驗觀察結果相符合。

過盈聯接的有限元模擬ansys培訓的效果圖片2

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

過盈聯接的有限元模擬ansys培訓的效果圖片3

2 結論

從后處理得到的有關資料綜合分析可知:ADINA有限元分析軟件用于過盈配合模擬、應力核算完全適用。將獲最大應力值代入相應的核算公式,即可獲得過盈配合聯接組件的工作可靠性信息,給軸毅過盈聯接的設計、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,縮短研發試制周期、降低制造成本,為過盈配合的聯接強度分析、優化設計提供可靠的理論依據。

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