基于Solidworks/Simulation的鏈板結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設計

摘 要：鏈條是重要的基礎零部件，其中滾子鏈鏈板結(jié)構(gòu)為“8”字形機構(gòu)合理，在國家標準中并未對影響鏈板應力分布的胯部尺寸進行規(guī)定。文章以ISO 08A型滾子鏈為例，利用Solidworks軟件創(chuàng)建了08A型鏈條鏈節(jié)的三維模型，并利用Solidworks/Simulaiton對鏈板結(jié)構(gòu)進行了應力分析，且根據(jù)其應力分布特點對其胯部尺寸進行了優(yōu)化。結(jié)果顯示：鏈板最大應力發(fā)生在銷軸孔處，胯部應力次之，二者應力差值高達59MPa，分布極不合理，優(yōu)化鏈板胯部尺寸得到，當胯部尺寸取值為0.4375倍節(jié)距時，銷軸孔與胯部應力基本相等，差值為2MPa，應力分布合理，為鏈板結(jié)構(gòu)設計提供理論指導。

關(guān)鍵詞：滾子鏈；鏈板；應力分布；尺寸優(yōu)化

滾子鏈作為重要的機械基礎零部件，作為牽引件被廣泛的應用于機械傳動、輸送、農(nóng)機、化工等行業(yè)領域[1]。鏈板是其重要的組成部分，其工作能力的優(yōu)劣直接影響了鏈傳動系統(tǒng)的整體性能。文獻研究表明：“8”字形結(jié)構(gòu)滾子鏈鏈板結(jié)構(gòu)應力分布合理，是滾子鏈鏈板的最佳結(jié)構(gòu)形式[2，3，4]，但是并未對最佳的“8”字形輪廓尺寸進行深入探討。

文章以ISO 08A型滾子鏈為例，利用Solidworks軟件創(chuàng)建了鏈節(jié)三維模型，并且利用Solidworks/simulaiton分析了鏈板的結(jié)構(gòu)應力，并以其胯部寬度尺寸為設計變量，鏈板銷軸孔與胯部最大應力為約束，對其胯部尺寸進行了優(yōu)化，使得鏈板應力分布更為合理，為鏈板結(jié)構(gòu)設計提供理論指導。

1 鏈節(jié)三維模型

滾子鏈包括A系列滾子鏈與B系列滾子鏈兩類，其中A系類滾子鏈基本結(jié)構(gòu)參數(shù)與節(jié)距P成一定比例關(guān)系[5]。因此，文章選擇ISO 08A型滾子鏈對鏈板結(jié)構(gòu)應力進行分析，優(yōu)化胯部寬度尺寸，得到其與節(jié)距P尺寸比例關(guān)系具有一般意義。

滾子鏈主要由外鏈板、銷軸、內(nèi)鏈板、套筒以及滾子5部分構(gòu)成，其中外鏈板與銷軸過盈配合，套筒與內(nèi)鏈板過盈配合，滾子與套筒間隙配合，如圖1所示。

2 有限元模型的創(chuàng)建

文章利用Solidworks Simulaiton有限元設計與分析軟件對鏈板的應力分布進行分析。

2.1 模型簡化

對鏈節(jié)整體進行計算分析，工作量大，時間長，且數(shù)據(jù)精確程度難以保障，利用模型的對稱性，選擇模型結(jié)構(gòu)的1/2、1/4甚至1/8部分，進行計算分析，可以有效節(jié)省計算時間，提高計算精度。分析鏈節(jié)的結(jié)構(gòu)可知，鏈節(jié)是典型的對稱結(jié)構(gòu)，可以取如圖2所示的結(jié)構(gòu)單元，對該模型進行分析。

2.2 約束條件及載荷設置

為簡化后的模型添加夾具，如圖2所示，分別在面1、2、4上添加對稱夾具，對分析模型三維方向進行了限制；在面3上添加力載荷600N，力方向垂直于面1。

2.3 網(wǎng)格劃分及求解器設置

對如圖2所示的模型進行網(wǎng)格劃分，首先對模型整體按照中等精度進行網(wǎng)格劃分，然后對鏈板結(jié)構(gòu)面1和面5的網(wǎng)格進行精細控制，控制其網(wǎng)格單元大小為0.15mm，如圖3所示。

在運行仿真程序之前，對求解器進行設置啟用“使用軟彈簧使模型穩(wěn)定”功能，采用Direct Sparse計算方式。運行仿真程序，得到仿真結(jié)果。

3 仿真結(jié)果分析

如圖4所示為求解得到了在600N力的作用下，鏈板的應力分布云圖。由圖4可知：鏈板最大應力發(fā)生在銷軸孔圓柱面上為162.410MPa；胯部次之為103.727MPa，二者差值為58.683MPa，顯然，應力分布不合理。

在鏈板高度一定的情況下，通過調(diào)節(jié)胯部寬度尺寸，來達到調(diào)節(jié)鏈板結(jié)構(gòu)應力分布的目的。利用Solidworks設計算例模塊，設置變量參數(shù)為胯部寬度尺寸，取值5P/16至13P/16，步長P/16，監(jiān)測數(shù)值為模擬數(shù)值銷軸孔處最大應力及胯部最大應力。運行設計算例，得到9種設計情形，提取設計圖表，得到如圖5所示的銷軸孔與胯部最大應力隨胯部寬度變化的變化曲線。

分析圖5可得：隨著胯部寬度尺寸增大，銷軸孔處與胯部處最大應力均逐漸變小，且在設計情形3處，即胯部寬度為7P/16時，胯部最大應力為181.37MPa，銷軸孔處最大應力為177.61MPa，二者最大應力差值最小為3.76MPa，兩處應力大小基本相等，應力分布合理，可以有效增強工作鏈板的工作能力。

4 結(jié)束語

以08A型滾子鏈為例，對滾子鏈鏈板的“8”字結(jié)構(gòu)進行了進一步探討。

（1）利用Solidworks軟件創(chuàng)建了滾子鏈鏈節(jié)的三維模型，利用Solidworks/Simulation軟件對鏈板進行了結(jié)構(gòu)靜力學分析。結(jié)果表明：現(xiàn)有滾子鏈鏈板的應力分布不合理，最大應力發(fā)生在銷軸孔處，胯部最大應力次之，且兩處最大應力差值較大，應力分布不合理。

（2）利用Solidworks設計算例模塊，以胯部寬度為變量參數(shù)，提取銷軸孔與胯部最大應力值，得到兩處應力隨胯部寬度變化的變化曲線，發(fā)現(xiàn)當胯部寬度為7P/16時，兩處應力差值最小，應力分布合理。文章研究成果將為滾子鏈鏈板的結(jié)構(gòu)設計提供指導。

參考文獻

[1]鄭志峰，王義行，柴邦衡.鏈傳動[M].機械工業(yè)出版社，1984.

[2]黃天成，王宏麗，鄭強元，等.基于有限元法的鏈板結(jié)構(gòu)設計研究[J].制造業(yè)自動化，2012（16）：110-112.

[3]董華明，王雅麗，康輝.鏈板形狀設計的新方法[J].吉林工業(yè)大學學報，1995（02）：75-80.

[4]王應生.滾子鏈鏈板應力的研究[J].起重運輸機械，1992（06）：32-34，36.

[5]張經(jīng)源.鏈條傳動與制造[M].浙江大學出版社，1989.

作者簡介：王文成（1985-），男，河北滄州人，承德石油高等?？茖W校機械工程系講師，博士，主要研究方向：高速鏈傳動技術(shù)理論及應用等。