管件過盈裝配仿真與實(shí)驗(yàn)研究

梁利華，謝　聃，蔣立正

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

管件過盈裝配仿真與實(shí)驗(yàn)研究

梁利華，謝聃，蔣立正

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

摘要：針對(duì)彎管自動(dòng)過盈裝配質(zhì)量和可靠性，采用ANSYS對(duì)彎管的過盈裝配過程進(jìn)行仿真研究，與經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.結(jié)果表明：經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式僅考慮線彈性變形，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差較大，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較接近.進(jìn)一步仿真研究表明，管件連接處倒角影響裝配平穩(wěn)性，裝配過程中，初始?jí)喝肓εc過盈量以及材料屈服極限成正比，隨著壓入量的增加，壓入力與過盈量及屈服極限成反比，且在相同過盈量下，管件壁厚與壓入力成正比.

關(guān)鍵詞：自動(dòng)過盈裝配；可靠性；ANSYS

為了保證密封，管件裝配通常采用過盈裝配，不適當(dāng)?shù)倪^盈裝配會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成損傷，并使產(chǎn)品表面產(chǎn)生疲勞裂紋[1].CHAKHERLOU T N通過仿真研究表明，過盈裝配件的循環(huán)應(yīng)力幅度隨尺寸減少而減少，平均應(yīng)力隨尺寸減少而增加[2].TRUMAN C E研究指出在過盈裝配中，往往因裝配件接觸面變形的差異，導(dǎo)致接觸面局部區(qū)域發(fā)生小幅度相對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而造成微動(dòng)變形[3].為了提高異形管件過盈裝配質(zhì)量和可靠性，針對(duì)管件過盈裝配進(jìn)行研究，分析過盈裝配影響因素，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化及增壓缸選型提供依據(jù).

1自動(dòng)裝配對(duì)象分析

某公司生產(chǎn)的熱交換器的管件裝配結(jié)構(gòu)如圖1所示，目前采用手工裝配方法，即采用手工固定和連續(xù)錘擊的方式安裝，存在產(chǎn)品質(zhì)量一致性差等問題.

圖1　管件裝配結(jié)構(gòu)Fig.1　The structural of tube assembly

為提高生產(chǎn)效率以及裝配質(zhì)量，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)裝配方案，采用立式橫向裝配的方法，由增壓缸將彎管2壓入彎管1中.自動(dòng)裝配時(shí)，增壓缸選型對(duì)裝配質(zhì)量以及機(jī)構(gòu)的緊密型產(chǎn)生較大的影響，因此對(duì)過盈裝配部件進(jìn)行合理的分析，并選用合理的壓裝載荷至關(guān)重要.

2管件過盈裝配分析與計(jì)算

2.1管件過盈裝配經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式

根據(jù)文獻(xiàn)提供的一種管件裝配裝壓力的計(jì)算公式，其表達(dá)式為

(1)

圖2　管件尺寸圖Fig.2　The image of size of tube

根據(jù)確定的過盈量，計(jì)算彎管裝配所需的壓入力F0為

F0=pfπdfLfμ

(2)

式中：Lf為結(jié)合長度；μ為摩擦系數(shù).

2.2管件過盈裝配仿真分析

管件過盈裝配是一個(gè)接觸摩擦的過程，接觸仿真是高度非線性的數(shù)值問題，往往涉及摩擦響應(yīng)求解，求解收斂難[5].為了提高收斂速度，接觸分析中，在不影響計(jì)算精度的前提下，對(duì)熱交換器的管件裝配結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行簡化，建立仿真軸對(duì)稱模型如圖3所示.

圖3　軸對(duì)稱模型Fig.3　Axisymmetric model

2.2.1材料

熱交換器的管件裝配結(jié)構(gòu)的材料均為黃銅，根據(jù)文獻(xiàn)可知黃銅材料E=9 000MPa，ρ=8.9×e-9t/mm3，μ=0.17，v=0.35[6].

通過拉伸試驗(yàn)得出應(yīng)力應(yīng)變曲線(共5組)如圖4所示.ANSYS中，采用多線性各向同性塑性硬化(Multilinearisotropichardening)本構(gòu)模型.

圖4　實(shí)驗(yàn)材料應(yīng)變—應(yīng)力曲線Fig.4　Stress-strain curve of material for experiment

熱交換器在自動(dòng)裝配前，彎管1進(jìn)行過擴(kuò)管.擴(kuò)管后材料已經(jīng)發(fā)生塑性變形，其殘余的塑性應(yīng)變計(jì)算式為

ε=Δd/d0

(3)

圖5　擴(kuò)管后管件材料應(yīng)變—應(yīng)力曲線Fig.5　Stress-strain curve of material of tube that expanded

2.2.2接觸設(shè)置

接觸設(shè)置同樣是影響仿真分析收斂性的重要因素，針對(duì)該裝配過程可知：其屬于大面積接觸，且彎曲占主導(dǎo)，所以定義單元類型為Plane183，罰剛度因子取0.1，接觸類型為Frictional.邊界條件的設(shè)置中，對(duì)彎管1下端面施加軸向約束，并對(duì)彎管2頂部施加軸向位移約束，位移量為9mm，模型尺寸參數(shù)及過盈量為da=14.8mm，di=12.2mm，df=13.5mm，δ=0.2mm.

2.2.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證計(jì)算準(zhǔn)確性，采用萬能試驗(yàn)機(jī)模擬自動(dòng)裝配，根據(jù)某公司自動(dòng)裝配節(jié)拍需求，壓入速度為20 mm/s，實(shí)驗(yàn)測得位移—壓力曲線(共6組)如圖6所示.取實(shí)驗(yàn)均值、經(jīng)驗(yàn)計(jì)算值與分析結(jié)果對(duì)比如圖7所示.

圖6　實(shí)驗(yàn)位移—壓力曲線Fig.6　Displacement-pressure stress curve of experiment

圖7　實(shí)驗(yàn)均值結(jié)果對(duì)比Fig.7　Mean value of experiment comparison

由圖7可知：經(jīng)驗(yàn)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差較大，而仿真分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合.理論解法只考慮了彈性變形，忽略了非線性因素[7-8].

3過盈裝配影響因素分析

管件過盈裝配中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式及仿真分析可知，過盈量及材料特性對(duì)過盈裝配有直接影響.下面取不同過盈量分別為0.1，0.075，0.05，0.025 mm進(jìn)行仿真分析.

3.1考慮彎管尺寸對(duì)過盈裝配的影響

1) 當(dāng)壁厚相同內(nèi)外徑不同時(shí)，彎管2尺寸如表1所示.不同過盈量組件裝配的位移—約束反力曲線如圖8所示.

表1彎管2同壁厚不同直徑

Table 1Elbow 2 under the condition of same wall thickness but different diameter

mm

圖8　同壁厚不同直徑位移—約束反力曲線Fig.8　Displacement-constraint reaction of same wall thickness but different diameter

由圖8可知：位移量在4 mm以內(nèi)時(shí)，約束反力與過盈量成正比，4 mm以后其所需約束反力與過盈量成反比.初步推論壓入4 mm以后隨著接觸面積增大，彎管發(fā)生屈服，管體變軟.且初始?jí)喝腚A段，約束反力變化較明顯，是因?yàn)閺澒?無倒角，導(dǎo)致過渡不均勻，隨著位移量的增加，壓入越多，位移—約束反力曲線越平滑.

2) 內(nèi)徑相同壁厚不同時(shí)彎管2尺寸如表2所示.不同過盈量組件裝配的位移—約束反力曲線如圖9所示.

表2彎管2同內(nèi)徑不同壁厚

Table 2Elbow 2 under the condition of same diameter but different wall thickness

mm

圖9　同內(nèi)徑不同壁厚位移—約束反力曲線Fig.9　Displacement-constraint reaction of same diameter but different wall thickness

由圖8，9對(duì)比可知：相同過盈量，壁厚越小，所需壓入力越小.

3.2考慮彎管材料特性對(duì)過盈裝配的影響

不同擴(kuò)管量對(duì)于彎管1材料特性有重要影響，采用不同尺寸的彎管1，并將彎管1擴(kuò)管至實(shí)驗(yàn)尺寸，根據(jù)式(3)及圖4得對(duì)應(yīng)屈服極限如表3所示.不同屈服極限組件裝配的位移—約束反力曲線如圖10所示.

表3擴(kuò)管前及擴(kuò)管后彎管1參數(shù)

Table 3Before expanding size parameters of elbow 1 and yield limit of elbow 1 that expanded

外徑/mm14.5014.4514.4014.35內(nèi)徑/mm13.1013.0513.0012.95σs/MPa110.00115.20119.60123.80

圖10　彎管1不同屈服極限應(yīng)變—應(yīng)力曲線Fig.10　Stress-strain curve of different yield limit of elbow 1

由圖10可知：初始?jí)喝霑r(shí)，所需壓入力與彎管1屈服極限成正比，壓入2 mm后成反比，推斷為彎管2更快產(chǎn)生塑性變形而變軟導(dǎo)致所需壓入力減小.

4結(jié)論

通過有限元軟件ANSYS對(duì)管件過盈裝配模擬分析，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果校核，兩種計(jì)算結(jié)果基本一致，結(jié)果表明：過盈裝配是一種彈塑性變形過程.自動(dòng)過盈裝配中，利用ANSYS軟件可以為研究管件過盈裝配的裝配穩(wěn)定性及可靠性提供數(shù)據(jù)支持，幫助優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并確定該產(chǎn)品自動(dòng)裝配過程所需最小裝壓力約為1 200 N，為增壓缸的選型減小風(fēng)險(xiǎn).

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(責(zé)任編輯：陳石平)

Simulationand experimental study on interference fit of tube

LIANG Lihua, XIE Dan, JIANG Lizheng

(College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:Focusing on the assembly quality and reliability of the automatic interference fit for elbow, a simulation research on interference fit of the elbow is performed by using ANSYS, then the result is compared with formula of experience calculated, and experiments were carried out to verify it. The results show that the formula of experience calculated only considered about liner elastic deformation, which has a large deviation with the experiment result. The simulation result is close to the experiment result. Further simulation studies show that assembly stability is influenced by chamfer, and initial intrusive force is in direct ration to both interference amounts and yield limit of material. With the increase of displacement quantity of assembly, the intrusive force become be inverse ratio to both interference quantity and yield limit of material, and in the condition of the same quantity of interference, the thickness of elbow is in direct ration to intrusive force.

Keywords:automatic interference fit; reliability; ANSYS

收稿日期：2015-12-21

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475425)

作者簡介：梁利華(1973—)，男，浙江溫嶺人，教授，研究方向?yàn)楦叨酥悄軝C(jī)械裝備開發(fā)、機(jī)械CAE技術(shù)和微電子封裝技術(shù)研究，E-mail：lianglihua@zjut.edu.cn.

中圖分類號(hào)：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-4303(2016)04-0355-04