單耳無級(jí)卡箍力學(xué)性能分析

熊健民,戚 坤,周金枝

(湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,湖北 武漢 430068)

卡箍是汽車管路連接的重要連接元件之一,被廣泛應(yīng)用于傳動(dòng)系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、安全系統(tǒng)以及排氣系統(tǒng)等,看似小小的卡箍,其作用卻不可忽視,一旦卡箍連接密封出現(xiàn)問題,就會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的工作,甚至引發(fā)不可想象的安全事故.本文以outike公司的單耳內(nèi)襯環(huán)卡箍為研究對(duì)象,該卡箍具有360°無級(jí)密封結(jié)構(gòu)、持續(xù)可靠的鎖緊作用以及操作簡單等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用.本文用有限元的方法模擬了卡箍的變形過程,該方法可被廣泛應(yīng)用于同類產(chǎn)品的分析中.

1 計(jì)算模型的建立

1.1 幾何模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)

由于卡箍結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,故先在Pro/E里面建立三維模型[1].整個(gè)卡箍的變形過程存在高度的非線性,為了提高計(jì)算的收斂性,在保證結(jié)果準(zhǔn)確的前提下多模型進(jìn)行了簡化,并以＊.iges格式導(dǎo)入ANSYS,結(jié)果如圖1所示.

圖1 卡箍模型

1.2 非線性特征的處理

ANSYS程序應(yīng)用牛頓-拉普森法求解非線性問題,該法將載荷分成一系列的載荷增量來進(jìn)行求解,如果在某個(gè)載荷增量內(nèi)不收斂,程序則嘗試用一個(gè)較小的載荷增量來繼續(xù)計(jì)算.另外可通過激活如線性搜索、自動(dòng)步長、二分等選項(xiàng)來增強(qiáng)收斂性.

1.2.1 材料非線性與大變形 塑性變形是典型的非線性問題,在塑性變形的同時(shí)往往還伴隨著大位移、大應(yīng)變的問題.卡箍的材料為鎳鉻合金鋼,故采用雙線性各項(xiàng)同性強(qiáng)化模型,且該模型適用于大變形.在進(jìn)行ANSYS分析中用激活大變形開關(guān).

1.2.2 接觸 接觸問題是一種高度的非線性行為,存在以下難點(diǎn):第一,接觸區(qū)域的未知性,或是可變化的.第二,大多數(shù)的接觸需要考慮摩擦,而摩擦模型都是非線性的,導(dǎo)致問題更加復(fù)雜,難以收斂.考慮到幾何模型的實(shí)際情況,采用柔體—柔體的面—面接觸單元來模擬接觸行為,選用conta174與target170單元?jiǎng)?chuàng)建接觸對(duì),同時(shí)為了減小cpu計(jì)算時(shí)間,應(yīng)該盡量地細(xì)化接觸對(duì).另外,接觸剛度和接觸容限的設(shè)置對(duì)于問題的收斂性能至關(guān)重要,過大的接觸剛度將導(dǎo)致難以收斂,而太小的接觸剛度則會(huì)出現(xiàn)難以接受的穿透問題,須經(jīng)過多次嘗試,取一個(gè)合適中間值[2].

1.3 有限元模型

為了能夠得到夾緊后橡膠管與金屬管接觸面的應(yīng)力分布,同時(shí)能更加準(zhǔn)確地模擬卡箍夾緊的過程、方便載荷的施加,須在ANSYS中同時(shí)建立橡膠管、卡鉗口的幾何模型.

1.3.1 前處理 卡箍的彈性模量E=1.94×1011,屈服極限205 MPa,抗拉強(qiáng)度520 MPa,泊松比0.3.橡膠管彈性模量取7.8×106,泊松比0.47.卡鉗口和硬管的材料屬性相同,其彈性模量為2×1011,泊松比0.3.卡箍材料還需設(shè)置其塑性變形的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系,文中采用雙線性等向強(qiáng)化模型,硬化系數(shù)取為1×109.全部采用solid92體單元?jiǎng)澐炙拿骟w網(wǎng)格,該單元具有塑性變形、大變形能力、大應(yīng)變能力,滿足計(jì)算要求.四面體單元相較六面體單元,雖然精度不高,但對(duì)于卡箍這種復(fù)雜模型,用四面體單元具有較好的收斂性能.卡箍與卡鉗口的形狀比較復(fù)雜,且多處存在應(yīng)力集中問題,可自動(dòng)生成四面體單元,并在局部進(jìn)行修改和細(xì)化[3].最終結(jié)果如圖2.

圖2 有限元模型

單元?jiǎng)澐滞瓿珊?對(duì)于可能發(fā)生接觸的位置(包括已經(jīng)接觸的位置)設(shè)置接觸對(duì),并可以通過9個(gè)實(shí)常數(shù)來控制每個(gè)接觸對(duì)的接觸行為.本模型中可能接觸的位置較多,如:卡鉗與卡箍、卡箍自身的滑動(dòng)接觸、卡箍與軟管、軟管與硬管等,應(yīng)盡可能地細(xì)化接觸區(qū)域,設(shè)置盡量準(zhǔn)確的接觸對(duì),以提高計(jì)算速度[4].

夾緊過程卡鉗對(duì)卡箍施加的加緊力約為1200～1800 N不等,本文研究載荷為1700 N.

1.3.2 求解 由于卡箍載荷的施加位置并不明確,不能固定于節(jié)點(diǎn)、線、面等,其載荷的位置是隨著變形不斷變化的,故考慮卡箍的約束和載荷全部通過接觸來實(shí)現(xiàn),如:卡箍與軟管接觸構(gòu)成約束,卡鉗口與卡箍的接觸可對(duì)卡箍施加一對(duì)稱載荷.同時(shí)為了保證變形過程中所有構(gòu)件不發(fā)生剛性位移,還需對(duì)硬管限制部分自由度.

求解共分為兩個(gè)載荷步,第一載荷步:卡鉗口向中間移動(dòng),使卡箍發(fā)生塑性變形.第二載荷步:撤銷卡鉗,使卡箍發(fā)生回彈.兩個(gè)載荷步求解選項(xiàng)的設(shè)置如下[5]:

1)打開大變形開關(guān).(GEOM,ON)

2)打開自動(dòng)時(shí)間步長(AUTOTS,ON),將默認(rèn)時(shí)間步長設(shè)為200,最大時(shí)間步長設(shè)為2000000,最小時(shí)間步長為100.

3)設(shè)置記錄所有子步的所有結(jié)果項(xiàng),便于后處理時(shí)觀察變形過程.

4)將求解器設(shè)為稀疏矩陣直接解法.稀疏矩陣直接求解法是建立在與迭代法相對(duì)應(yīng)的直接消元法基礎(chǔ)上的.通過間接的方法(也就是通過迭代法)獲得方程的解.既然這種方法是以直接消元為基礎(chǔ)的,不良矩陣不會(huì)構(gòu)成求解困難,收斂性能較好.

5)在求解選項(xiàng)的非線性面板中打開線性搜索功能,其他選項(xiàng)默認(rèn)即可.

2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

ANSYS軟件共將第一載荷步分為 134個(gè)子步,將第二載荷步分為54個(gè)子步求解.求解過程中曾多次出現(xiàn)收斂困難的情況,可通過調(diào)整接觸剛度等參數(shù)來測(cè)試.有時(shí)在結(jié)構(gòu)剛度出現(xiàn)較大變化時(shí)(進(jìn)入塑性階段、發(fā)生接觸等)會(huì)出現(xiàn)時(shí)間步長很短的情況,這是正常的.

2.1 卡箍最大應(yīng)力及應(yīng)力云圖分析

當(dāng)卡鉗上的夾緊力F趨于1700 N,此時(shí)較小的位移改變量將導(dǎo)致很大的夾緊力變化,在此處也較難收斂,須細(xì)化載荷子步.如圖3所示,當(dāng)卡鉗作用力F為1700 N時(shí)(正常工作狀態(tài)),卡箍整體多處出現(xiàn)塑性變形,最大應(yīng)力位于卡箍耳朵與卡鉗接觸的邊緣位置,大小為424.5 MPa,小于該合金的強(qiáng)度極限520 MPa.

當(dāng)卡鉗夾緊力達(dá)到1700 N后,再將該載荷卸掉,如圖4所示,卡箍整體進(jìn)行回彈,整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均有所降低.

2.2 夾緊力分析

圖5為1700 N的卡鉗作用力下,硬管表面壓力.圖中采用柱坐標(biāo)系顯示X方向的應(yīng)力(即硬管表面壓力),從圖中可以看出,卡箍投影處的壓力均在3 MPa以上,且分布比較均勻,卡箍耳朵所對(duì)應(yīng)的位置出現(xiàn)最大壓力,約為6.9 MPa.該壓力作用下軟管和硬管均不會(huì)破壞.

圖5 F=1700 N時(shí)硬管表面壓力分布圖

圖6為撤掉卡鉗作用力后硬管的表面壓力,從圖中可看出,卡箍所產(chǎn)生的收緊力最小為1 Mpa,大部分位于2～3 MPa左右,最大值依然出現(xiàn)在卡箍耳朵所對(duì)的位置.該收緊力滿足卡箍的使用需求.

圖6 F減小至零時(shí)硬管表面壓力分布圖

3 結(jié)論

1)單耳內(nèi)襯環(huán)卡箍所產(chǎn)生的夾緊力滿足實(shí)際需要,應(yīng)力分布均勻,具有 360°可靠密封的特點(diǎn).

2)該卡箍具有足夠的強(qiáng)度,雖然打孔連接的位置在夾緊力較大時(shí)出現(xiàn)塑性變形,但離其抗拉強(qiáng)度極限還有一定距離.

3)ANSYS與其他CAD軟件的結(jié)合,可用來建立更加符合實(shí)際的復(fù)雜的三維幾何模型,這種三維模型的分析較常用的二維分析能獲得更加精確的解.

4)ANSYS分析非線性問題(尤其是接觸),收斂性能的好壞和結(jié)果的準(zhǔn)確度很大程度取決于計(jì)算模型是否合理(參數(shù)的設(shè)置、約束的施加方法等).

[1]方建軍,李玏一,匡吉新,等.機(jī)械設(shè)計(jì)與應(yīng)用:Pro/ENGINEER Wildfire技巧與范例[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[2]郝 偉,張 洪,郝永福.有限元法在接觸問題中的應(yīng)用[J].機(jī)械管理開發(fā),2005(2):49-50.

[3]張立新.ANSYS 7.0基礎(chǔ)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[4]尚曉江,邱 峰,趙海峰,等.ANSYS結(jié)構(gòu)有限元高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[5]邢靜忠,王永崗,陳曉霞,等.ANSYS 7.0分析實(shí)例與工程應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.