过盈联接的有限元模拟

2013-06-16 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

过盈联接的应力集中对联接的可靠性和疲劳寿命有直接影响,需对过盈配合表面上产生的应力集中分析。传统的计算方法,由于假定过盈配合面上的压力均匀分布,利用经验系数确定轴两端应力集中大小,与实际存在差距;而过盈联接的计算、选用和校核通过第三强度理论的当量弯矩法,对强度校核结果较为有限,无法了解材料应变部分和范围,尤其对应力接近或超出材料屈服极限的配合很难判断,且分析过程得到联接件各点的应力变化。故以ADINA有限元软件分析丁具,对轴毅过盈联接模拟,得出过盈联接中轴毅的应力情况。

1 有限元模拟

利用ADINA-PLOT可观察计算结果,绘制网格变形图、应力或温度结果的云图、支反力、速度或应力的矢量图等,还可绘制计算结果的时间历程图,或某结果沿模型中某条线段的分布变化图等。

    1.1有限元模型的建立

设轴、毅材料均为40Cr、弹性模量E = 2.06 X10"Pa、泊松比u=0.3,并将轴、毅取为轴对称结构,建立轴毅过盈联接的简化模型。其中,轴孔直径D = 30mm轴孔长度l = 20mm,轴长度L=50mm,选取基孔制优先配合Φ30(H7/s6),最大过盈量为0.059mm.

为与过盈配合联接组件的工况接近,在有限元分析中须合理确定其相互作用关系、约束条件及载荷在其上的分布状态,并进行简化。故将轴孔内表面(目标面)和轴外表面(接触面)确定为接触副;将毅的外表面X, Y, Z方向全自由度约束,除轴的Z方向具有移动自由度外全部约束,并使轴沿图1中的Z轴位移-20mm。该作用点选在轴端面的主节点上。为产生整体效果,将轴端面各节点与力的作用点进行刚性连接,便可借移动一点而使轴产生位移,使模拟轴毅的动态过盈配合。毅内表面和轴外表面间的摩擦系数取0.2,接触配合过盈量取最大值0.059mm。建立有限元网格划分模型如图1.

过盈联接的有限元模拟ansys培训的效果图片1

ADINA对实体造型时,依轴毅联接情况构造。当轴与毅装配时,轴可把毅的孔径胀大。但在有限元分析中,轴不能把毅的孔径胀大,而轴毅间会发生干涉,实体造型时构件发生干涉,构件间的干涉(即有限元软件中规定的实体穿透)超过软件的允许值时将导致数值模拟无法进行,表现为计算不收敛。为此模拟采取“热装配”方法。即在轴毅装配前,先对轴施加负温度,使轴整体收缩,再恢复到收缩前的温度,可将轴毅装配L,也可模拟轴毅的静态过盈配合。

因在轴发生整体收缩时,轴与毅不接触,轴将发生刚体移动。为不发生刚体移动,需在轴的两端点施加弹簧限制沿Z轴的移动自由度,并定义弹簧在轴与毅发生接触前起作用。ADINA软件中弹簧单元属约束条件中的一种,与边界约束条件的区别是弹簧单元发生作用的时间可按模型所需控制,而边界条件一旦施加就不能取消。施加弹簧单元相当于在节点上施加阻尼。轴毅的约束模型如图2.

    1.2分析结果

图3是联接组合静态过盈配合的等效应力云图,图4是静态过盈配合的轴的应力云图。可见,轴毅间的接触应力在轴毅过盈接触的中部应力最大,且由此向轴的两端逐渐扩散、减小,在两轴端达到最小值。实际实验观察结果相符合。

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图5是联接组合动态过盈配合的等效应力云图,图6是动态过盈配合的轴的应力云图。其接触中部应力也最大,并向两轴端减小。由图3-图6可见,装配过程中的应力、等效应力比装配好的应力、等效应力小。通过控制时间步的操作或动画更能直观显示整个模型在装配过程中的变化。

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2 结论

从后处理得到的有关资料综合分析可知:ADINA有限元分析软件用于过盈配合模拟、应力核算完全适用。将获最大应力值代入相应的核算公式,即可获得过盈配合联接组件的工作可靠性信息,给轴毅过盈联接的设计、校核提供一种新方法,通过有限元分析,可方便快捷的修改各种参数,缩短研发试制周期、降低制造成本,为过盈配合的联接强度分析、优化设计提供可靠的理论依据。

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