基于FEA的某试验装置改进设计及力学分析.pdf

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1、基于FEA的某试验装置改进设计及力学分析口赵亮亮口袁成清口师光飞武汉理工大学可靠性工程研究所武汉430063摘要：根据接触非线性理论，建立了某试验装置加载轴与键、键与套筒联轴器之间的接触作用力学方程，并利用通用有限元分析软件ANSYS较为精确地计算了加载轴、键与套筒联轴器的应力场及变形，其结果为以后的试验装置及工程结构设计提供理论依据及设计参考。关键词：套筒联轴器键有限元分析接触分析中图分类号：TH131．4文献标识码：A文章编号：1000—4998(2009)12—0041—04在工程结构设计中，经常会遇到键连接，以往在键(剐=∑[]P+∑[】(1)连接部位的强度校核中，一般采用经验公式

2、，但由于键J1=1连接部位的高度非线性及存在的应力集中现象，以往式中：J=1，2⋯m，表示接触点的数目；(剐和(剐是的经验公式已无法考虑这些因素。随着大型商业有限A和的接触点i的位移；[]和[cg】分别是物体A元分析软件用于设计和工程计算领域，用有限元法进和日在节点由i节点作用(节点)引起的柔度矩阵；行这一方面的分析计算成为一种可靠的方法⋯。是第个载荷点的外力向量；e是外载荷点数。在某212程机械产品的开发过程中，特别是其关键假定接触区域上的接触点对是连续的，接触面上零部件的设计尤显重要，故需在产品成型之前对其进的兼容方程可以表示为：行小比例样件及全尺寸样件的测试，以期满足产品的(6)=(

3、6)+(6)o(2)预期性能。本文以该工程机械产品关键零部件(以被测式中：(剐。是第(i)个接触点对的初始间隙向量。试件表示)的试验装置为研究对象，首先对该试验装置由于在接触点上，作用两个物体的接触力必须是进行了改进设计，在考虑该试验装置平键连接高度非大小相等方向相反，即：线性的基础上，根据接触非线性理论，利用大型有限元：一P，(3)分析软件ANSYS对初步改进设计的试验装置进行了将式(1)和式(3)代人到式(2)，可得连续状态点的有限元分析，得到了试验装置各零部件的应力分布及相容方程：位移，并根据分析结果，对试验装置进行了完善。∑([q】+【c】)=∑[]+(占)(4)1接触非线性的数学

4、模型=11对于滑动状态，我们假设满足Columb摩擦定律，在工程结构中，经常会遇到大量的接触问题，在分则有下式：析和设计中，常常需要确定两个或多个相互接触物体=(5)的位移，接触区域的大小和接触面的应力分布的情况。这里，是滑动摩擦因数，对于自由状态的点，在有限元法是解决复杂工程结构问题的有效方法】。显式(4)中，则有：然，在接触问题上，它也是一种有效的方法。=0(6)对于两个弹性接触体A和曰，如图1所示。物体B由于在式(4)中，和都是不变的，因此，每次迭代求上有固定的边界，外力F作用在物体A上。物体A的解只需根据接触点的接触状态，用式(5)或式(6)替代接触力是，物体B上的接触力是P，对于

5、二维情式(4)即可。况，它们可以表示成：2试验装置简介肛和P，，：LPj1某试验装置如图2所示，它的主要作用是检测被测物体A和B在接触点上的柔度方程分别表示为：试件的抗扭能力。其由扭矩传感器(量程10kN·m)、(6)=[c]P，键(单键)、套筒联轴器及加载轴组成。其工作原理为：被测试件左端固定，而给加载轴右端施加扭矩，以考核★国家自然科学基金资助项目(编号：50705070)被测试件在一定扭矩作用下的力学性能。收稿日期：2009年7月机械制造47卷第544期211119／12I41ll试件的复杂性，需对其进行小比例样件的测试，以考核部件材料名称弹性模量(GPa)泊松比fs／f02(NPa

6、)被测试件方案的可行性；待被测样件全尺寸设计完成加载轴1Crl8Ni9Ti2060．3205后，需对其力学性能进行测试及校核，保证设计的可靠键Q4602060．3460性。由于小比例样件及全尺寸被测试件在尺寸上的不套筒Q235A2060．3235一致，故在测试过程中所施加的扭矩必定不一致，则需4试验装置初步改进对测试装置进行改进设计以满足测试的要求。为检测被测试件的抗扭能力，对于小比例样件，其对于全尺寸样件的测试，由于扭矩的增加，原有测测试所需扭矩为3kN·ITI；对于全尺寸样件，其测试所试装置的强度已不再适用，故需对其进行分析计算及需扭矩为6kN·ITI。重新设计。4．1轴的计算3原试验

7、装置力学计算已知传递扭矩6kN·m，由上述经验公式可得：r=原试验装置各部件力学性能如表1所示。／Wp=30．6MPa<35MPa，则轴在6kN·in的扭矩下3．1加载轴计算满足强度要求。已知轴的材料为1Crl8Ni9Ti，查机械设计手册_31，4．2平键联接计算[r】取35MPa。轴径(D)为1O0mlTl，传递扭矩3kN·m。P=153．6≥【P]=136．7MPa取We：竹(0．1)／l6，贝U：．r=T／=I5．