基于ANSYS的曲軸圓角滾壓有限元仿真分析

楊秀芝,王健,張銳,肖新華

(1.湖北理工學(xué)院機電工程學(xué)院,湖北 黃石 435003; 2.武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070;3.武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院,湖北 武漢 430070)

基于ANSYS的曲軸圓角滾壓有限元仿真分析

楊秀芝1,王健2,張銳3,肖新華1

(1.湖北理工學(xué)院機電工程學(xué)院,湖北 黃石 435003; 2.武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院,湖北 武漢 430070;3.武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院,湖北 武漢 430070)

根據(jù)曲軸圓角滾壓加工過程,采用ANSYS/Workbench仿真軟件建立相應(yīng)的有限元模型,通過改變滾壓力和滾壓圈數(shù)對比分析曲軸滾壓后的應(yīng)力和應(yīng)變分布狀況,為曲軸圓角滾壓參數(shù)的設(shè)置提供參考.仿真結(jié)果表明,合理的滾壓力可以有效地提高滾壓后產(chǎn)生的殘余壓縮應(yīng)力和應(yīng)變,合理的滾壓圈數(shù)可以在保證有效壓縮應(yīng)力和應(yīng)變的情況下減少滾壓圈數(shù),提高加工效率.

曲軸;滾壓;ANSYS/Workbench;應(yīng)力;應(yīng)變

0 引言

曲軸作為發(fā)動機的主要零件之一,在工作過程中承受很大的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力,很容易疲勞斷裂.大量的理論分析和實踐表明,疲勞破壞主要集中產(chǎn)生在連桿頸、主軸頸和曲柄連接的過渡圓角處,因此有必要對曲軸圓角部位采取一定的強化措施以提高曲軸的使用壽命,強化措施中比較好的方法是通過滾壓輪擠壓曲軸圓角,以獲得滾壓塑性變形帶、產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力、提高光潔度和局部硬度.該方法的強化效果主要取決于滾壓力、滾壓圈數(shù)、曲軸材料強度和變形能力[1].目前國內(nèi)外對曲軸圓角滾壓的工藝研究一般采用試驗方法選取合適的滾壓參數(shù),不僅時間長、成本高,而且難于操作.本文中采用計算機輔助分析軟件進行仿真分析,不僅有助于快捷地獲取合適的滾壓參數(shù),而且有助于降低制造成本,具有較大的工程應(yīng)用價值.

1 曲軸滾壓仿真模型的建立

1.1建立曲軸和滾壓輪簡化模型采用三維設(shè)計軟件建立曲軸連桿軸頸和滾壓輪的三維模型.其中曲軸圓角半徑1.80 mm,滾輪張開角45°,滾壓輪半徑4.80 mm,曲軸軸頸半徑23.95 mm.為了減少計算分析時間,本文中對單拐三維模型進行簡化,除關(guān)鍵圓角部位外,對其他部位的細微造型特征進行簡化處理,然后將模型導(dǎo)入ANSYS/Workbench中,再為曲軸和滾壓輪添加材料.分析的主要目的是分析曲軸在圓角滾壓后的受力和變形,因此根據(jù)曲軸圓角滾壓加工的特點,將曲軸設(shè)置為彈塑性體屬性,采用雙線性等向強化模型,彈性模量為114 GPa,泊松比為0.23,屈服極限為480 MPa,切向模量為11.25 GPa,密度為7 830 kg/m3;將滾壓輪設(shè)置為剛性體屬性,即滾輪在滾壓中沒有任何變形.為了在仿真分析中體現(xiàn)該滾輪始終不變形的特點,在仿真設(shè)置中將其楊氏模量設(shè)置為遠高于常規(guī)的數(shù)值,本文中設(shè)置為常規(guī)楊氏模量的100倍[2].然后對曲軸和滾壓輪劃分網(wǎng)格,為了簡化仿真模型,劃分曲軸主體網(wǎng)格時盡可能粗化網(wǎng)格,而為了提高求解精度,在圓角接觸處細化網(wǎng)格,如圖1所示.

1.2施加邊界條件對曲軸端面施加Joints約束,類型選擇為Revolute,約束除圍繞軸頸自身軸線轉(zhuǎn)動的自由度外的全部自由度.在滾壓輪中心的圓柱孔上同樣也施加Joints約束,設(shè)置為Translational類型,約束除圖中X方向外的所有自由度(X方向指向曲軸圓角方向),如圖2所示.

圖1 曲軸滾壓有限元模型

圖2 滾壓輪約束設(shè)置

實際滾壓中需要考慮滾壓接觸處摩擦的作用,摩擦系數(shù)分滑動摩擦系數(shù)和滾動摩擦系數(shù),摩擦系數(shù)由滑動面的性質(zhì)、粗糙度和潤滑劑等因素決定,滑動摩擦系數(shù)還與相對速度大小有關(guān).根據(jù)參考文獻[3]中的分析,可知曲軸軸頸和滾輪接觸處部分處于純滾動,其余各點均發(fā)生了滑動,且由于滑動的相對速度有較大差異,所以滾壓處各點的摩擦系數(shù)各不相同,難以在仿真中準確確定滾壓中的摩擦系數(shù).此外隨著滾壓的進行,圓角表面粗糙度不斷降低,在滾壓時向被滾表面噴射N7全損耗系統(tǒng)用油,有可能使圓角表面粗糙度達Ra 0.40～Ra 0.25[3],所以滾壓部位的摩擦及摩擦產(chǎn)生的影響可進一步降低,甚至可忽略不計.綜合以上考慮,仿真中在滾壓輪表面和曲軸圓角處建立無摩擦接觸是合理科學(xué)的.實際生產(chǎn)中曲軸轉(zhuǎn)速一般為30～60 r/min[4],為了提高滾壓效率,將曲軸上圍繞自身軸線轉(zhuǎn)動的速度設(shè)置為60 r/min.在滾壓輪上施加沿X方向的滾壓力.滾壓力加載模式如圖3所示.在進給階段,加載力不斷增大到恒力,然后在保持階段實行恒力滾壓,退出階段加載力不斷減小直到退出.

圖3 滾壓力加載模式

圖4 曲軸滾壓部位應(yīng)力分布示意圖

1.3曲軸滾壓過程分析滾壓加工過程中,滾壓輪在滾壓力的作用下,不斷擠壓曲軸圓角部位,滾輪和圓角的接觸半寬度從0開始不斷擴展到最大寬度,其余各點的接觸寬度向兩側(cè)對稱縮小.加載后等效接觸線擴展為長半軸為r(圓弧半徑)、短半軸為b(最大負荷點的接觸半寬度)的橢圓等效接觸面,如圖4所示.在壓縮應(yīng)力的作用下,圓角部位首先發(fā)生彈性應(yīng)變,隨后發(fā)生一系列塑性應(yīng)變.滾壓塑性變形時全量應(yīng)變與應(yīng)力之間的關(guān)系與彈性應(yīng)變時完全不同.塑性變形可以認為體積不變,應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系是非線性關(guān)系,與加載里程和材料應(yīng)變路線相關(guān).

考慮滾壓加工中的塑性變形,可得:

式中σmax為滾壓后最大應(yīng)力,P為滾輪上的總負荷,r為圓弧半徑,b為最大負荷點接觸半寬度,ks為塑性系數(shù),與載荷力大小、曲軸材料特性及工作環(huán)境等有關(guān)[5].

2 不同加工條件下滾壓結(jié)果分析

2.1不同滾壓力下的應(yīng)力和應(yīng)變分布根據(jù)參考文獻[4]中所述,滾壓中以8～10圈為宜,故在仿真模型中設(shè)置滾壓進給圈數(shù)為2圈,保持圈數(shù)為6圈,退出圈數(shù)為2圈,總?cè)?shù)為10圈,改變滾壓力進行求解.滾壓后,應(yīng)力主要集中于過渡圓角處,其中最大應(yīng)力出現(xiàn)在曲軸圓角和滾壓輪接觸處,而塑性應(yīng)變則完全發(fā)生在圓角處,并且整個過渡圓角處均出現(xiàn)了較均勻的塑性應(yīng)變,如圖5和圖6所示.可以看到,圓角部位所測殘余應(yīng)力值已經(jīng)超過其原始屈服極限.這是由于滾壓后,曲軸圓角部分材料出現(xiàn)加工硬化(形變強化),材料經(jīng)過多次塑形屈服后繼續(xù)抵抗變形的能力(塑變抗力)不斷增加,最終導(dǎo)致屈服強度達到最大值.

圖5 滾壓力為15 000 N時曲軸應(yīng)力分布圖

圖6 滾壓力為15 000 N時曲軸應(yīng)變分布圖

不同滾壓力下獲得的曲軸滾壓圓角最大徑向等效應(yīng)力和最大徑向等效塑性應(yīng)變分別如圖7和圖8所示,可看出最大殘余應(yīng)力隨滾壓力增大緩慢增大,不同滾壓力下最大曲軸應(yīng)變隨滾壓力增大快速增大.

圖7 不同滾壓力下最大徑向等效應(yīng)力分布

圖8 不同滾壓力下最大徑向等效塑性應(yīng)變分布

2.2不同滾壓圈數(shù)下的應(yīng)力和應(yīng)變分布設(shè)置滾壓力為11 000 N,取進給圈數(shù)和退出圈數(shù)均為2圈不變,改變保持圈數(shù),分別進行求解.當(dāng)滾壓力為11 000 N、總?cè)?shù)為12圈時,應(yīng)力區(qū)以過渡圓角為主,向軸頸和曲柄擴散,塑性應(yīng)變均出現(xiàn)在滾壓過的圓角上,曲軸應(yīng)力和應(yīng)變分布如圖9和圖10所示.

不同滾壓圈數(shù)和最大等效應(yīng)力、最大等效塑性應(yīng)變關(guān)系如圖11和圖12所示.分析結(jié)果可知,最大塑性應(yīng)變在8～13圈內(nèi)較為穩(wěn)定,圈數(shù)小于8圈和大于13圈時,應(yīng)變變化較大.當(dāng)滾壓圈數(shù)小于13圈時,殘余應(yīng)力隨著圈數(shù)的增大而快速增大,大于13圈時,開始降低.綜合考慮以上因素,在滾壓力為11 000 N時,8～13圈較為合理,不僅可以獲得相近的塑性應(yīng)變而且可以適當(dāng)提高滾壓力以提高塑性應(yīng)變.

圖9 總?cè)?shù)為12時曲軸應(yīng)力分布圖

圖10 總?cè)?shù)為12時曲軸應(yīng)變分布圖

圖11 不同滾壓圈數(shù)與最大等效應(yīng)力關(guān)系曲線

圖12 不同滾壓圈數(shù)與最大等效塑性應(yīng)變關(guān)系曲線

3 結(jié)論

通過建立曲軸圓角滾壓仿真模型,獲得不同滾壓工藝參數(shù)下曲軸滾壓部位的應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系曲線.仿真結(jié)果表明,合理的滾壓力可以有效提高滾壓后產(chǎn)生的殘余壓縮應(yīng)力和應(yīng)變,合理的滾壓圈數(shù)可以保證在有效壓縮應(yīng)變的情況下減少滾壓圈數(shù),提高加工效率.

[1] 趙紅兵,郭晨海,梁福祥.曲軸圓角滾壓殘余應(yīng)力的分布研究[J].小型內(nèi)燃機與摩托車,2012,41(2):33-36.

[2] 張銳,胡榮強,王培懿,等.曲軸圓角滾壓有限元分析[J].熱加工工藝,2009,38(19):101-104.

[3] 薛隆泉,劉榮昌.曲軸圓角滾壓運動及結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計[J].機械工程學(xué)報,2002,38(1):146-148.

[4] 李海國,李滿良.曲軸圓角滾壓強化工藝綜述[J].山東農(nóng)機,2002(2):16-20.

[5] 劉榮昌,薛隆泉,王慧武,等.曲軸圓角滾壓強化加載范圍與原則的研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2005,36(2):119-122.

(責(zé)任編輯 郭定和)

AfiniteelementsimulationforcrankshaftfilletrollingprocessingwithANSYS

YANG Xiuzhi1,WANG Jian2,ZHANG Rui3,XIAO Xinhua1

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Hubei Polytechnic University, Huangshi 435003, China;2. School of Mechanical and Electronic Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China;3. School of Automation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Based on the motion of the crankshaft and roller in the period of fillet rolling, a finite element model for crankshaft fillet rolling processing was built with ANSYS/Workbench. Researchers investigated the stress and strain distributions of crankshaft with variable force and number of turns. The results provided references for technological parameters of fillet rolling. The simulations reveal that appropriate control of force could increase residual stress and strain of crankshaft effectively. In addition, on the premise of effective stress and strain, appropriate number of turns reduced cylinder number and increased the manufacture efficiency.

crankshaft; fillet rolling; ANSYS/Workbench; stress; strain

2013-11-20

湖北理工學(xué)院博士科研啟動項目(11yjz01R)資助

楊秀芝(1974-),女,博士,副教授,E-mail:yangliushuzhi@163.com

1000-2375(2014)05-0463-04

TG376

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2014.05.016