过盈配合面的接触刚度和接触阻尼计算研究.pdf

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1、第42卷第3期2013年06月船海工程SHIP＆OCEANENGINEERINGV01．42No．3Jun．2013DOI：10．3963／j．issn．1671-7953．2013．03．024过盈配合面的接触刚度和接触阻尼计算研究万俟昊天，向阳，夏雪宝，刘辉(武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉430063)摘要：研究过盈配合结合面特性，通过有限元法计算过盈配合结合面在不同过盈量下的接触刚度和接触阻尼。在ANSYS中建立了过盈配合组件的有限元模型，对模型施加一定的边界条件，仿真后提取结合面上单元和节点的接触压力、位移等参数，

2、计算接触刚度和接触阻尼。运用结构响应耦合方法，代人仿真计算得到的接触刚度和接触阻尼，建立过盈配合的理论模型，计算过盈配合一端的频率响应函数，与实测频响函数对比，验证了接触刚度和接触阻尼的正确性。关键词：过盈配合；接触刚度；接触阻尼；结构响应耦合中图分类号：U664文献标志码：A文章编号：1671-7953(2013)03-0085-06过盈配合是机械工程中一种常见的构件连接方式，由于其配合连接紧密，可传递转矩，承受很大的轴向力，已广泛地应用于重型机械、起重运输机械、船舶、机车及通用机械中¨引。过盈配合的过盈量大小是否对设备整体的

3、动态特性有影响，以及有多大影响是本文研究的目的，特别是获得过盈配合结合面的特性参数(接触刚度和接触阻尼)。由于过盈配合结合面本身的结构特点(结合面为封闭结构，无法在结合面上布置传感器)，难以采用试验的方法直接识别结合面特性参数，所以这里采用有限元计算的方法，建立过盈配合组件的有限元模型，对模型施加一定的边界条件，仿真后提取结合面上单元和节点的接触压力、位移等参数，计算接触刚度和接触阻尼，最后再通过实验来验证结合面参数的正确性。1研究对象研究对象为轴和轴套的过盈配合，见图1。轴和轴套材料为Q235，其几何尺寸和材料属性见表1。轴套

4、内圆直径选择3种尺寸偏差：妒38-0-0．0705：，938-0-0．050394，驴38m-0．033008mm；与轴的尺寸偏差收稿日期：2012—1l一05修回日期：2012一Il一23基金项目：国家自然科学基金(51079118)第一作者简介：万俟昊天(1986一)，男，硕士生研究方向：振动与噪声控制E．mail：mqht．eric@hotmail．COrn妒38一：。。。mm配合，形成3种过盈量不同的配合形式，用代号表示分别为：U7／h6、$7／h6、N7／h6；其平均过盈量分别为：一0．0555mm、一0．0385mm

5、、一0．0125mm。图1过盈配合示意表1过盈配合组件基本尺寸和材料属性轴套轴长度／mm外圆直径／mm内圆直径／mm结合面长度／mm密度／kg·m。弹性模量／Pa结构阻尼系数泊松比摩擦系数1006008038一：016妒38一-00．0叽5：，妒38：：：搿，938：；慧10078502X10“O．0050．30．2本文将过盈配合结合面特性参数定义为k小k町南价I

6、}帅、crf和c。旧1。见图2，对于过盈配合，在轴上施加Y方向上的力．厂(t)，过盈配合结合面上沿z方向上任一点A产生位移Y，此时这一点表现的刚度特性即为kⅣ，阻尼特

7、性即为Crf；同样施加力．厂(t)，A点产生转动△口，此时这一点表现的刚度特性即为k甜。同理，施加力矩m(￡)，A点产生位移Y，此时这一点表现的刚度特性即为k。，阻尼特性即为Cym；同样施加力矩m(t)，A点产生转动△臼，此时这一点表现的刚度特性即为Ii}加。85第3期船海工程第42卷_一YL：图2过盈配合结合面接触刚度及阻尼定义2接触刚度及接触阻尼有限元计算根据轴和轴套尺寸属性在ANSYS中建立过盈配合的有限元模型。建立有限元模型时，为了减少单元数量，节约运算时间，将轴的长度设为200mm。有限元模型中，轴和轴套采用SOL—I

8、Dl86单元，共计5610个；在轴和轴套配合的面上分别建立CONTAl74单元和TARGEl70单元(各816个)，形成接触对HJ。整个有限元模型共计26464个节点。图3所示为所建的有限元模型：坐标原点位于轴孑L配合端面中心处(图3所示坐标位置)，戈轴为水平方向，Y轴为竖直方向，z轴为轴和轴套的轴线方向。。／一’

9、0人。∥。、一夕图3过盈配合有限元模型进行有限元计算的时候，约束轴套端面外圆上面上下左右4个节点，见图3。仿真计算分两个时间步长完成(每个时间步长分别有5个子步)。在第一个时间步长中施加过盈量，轴孔配合面上的接触压力

10、逐渐增大∞J。在第二个时间步长中，在轴的上端靠近轴孔配合处施加Y轴负方向的力和力矩(见图3)。仿真计算中，力和力矩分10次施加：力为250～1250N，间隔250N；力矩为2．5～12．5Nm，间隔2．5Nm。以力的施加为例，两个时间步长见图4。图5所示为过盈配