不同過盈量對零件裝配影響的有限元分析

許軍富

（中石化勝利石油工程沙特鉆井項(xiàng)目管理部，東營 257000）

不同過盈量對零件裝配影響的有限元分析

許軍富

（中石化勝利石油工程沙特鉆井項(xiàng)目管理部，東營 257000）

裝配是機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)過程中一個必不可少的環(huán)節(jié)，過盈裝配時由于存在過盈量而產(chǎn)生的應(yīng)力對裝配好的機(jī)構(gòu)性能有比較大的影響，嚴(yán)重時可能會造成機(jī)構(gòu)的破壞。為此，應(yīng)用有限元軟件ABAQUS對不同過盈量的裝配進(jìn)行有限元分析，研究不同過盈量對裝配的影響，預(yù)先掌握裝配過程中的薄弱環(huán)節(jié)，提高產(chǎn)品裝配質(zhì)量，基于此，本文應(yīng)用有限元技術(shù)計(jì)算分析提出了較為合理的結(jié)構(gòu)形式。

零件；過盈量；裝配；有限元

0 引言

過盈配合是機(jī)械工業(yè)中一種常見的零部件組裝方式，齒輪、軸承以及火車車輪等與其裝配軸之間的配合大多采用過盈配合。在工作外載荷作用下，能產(chǎn)生足夠的摩擦力，以保證配合件之間不發(fā)生任何相對滑動，同時接觸應(yīng)力又不過大，裝配件能正常工作。過盈裝配時由于存在過盈量而產(chǎn)生的應(yīng)力對裝配好的機(jī)構(gòu)性能有比較大的影響，嚴(yán)重時可能會造成機(jī)構(gòu)的破壞[1,2]。

為避免或者減少上述事故的發(fā)生，文應(yīng)用有限元軟件ABAQUS對不同過盈量的裝配進(jìn)行有限元計(jì)算分析，研究了配合面之間的應(yīng)力及接觸壓力分布規(guī)律；研究了不同過盈量對裝配的影響，預(yù)先掌握裝配過程中的薄弱環(huán)節(jié)，提高產(chǎn)品裝配質(zhì)量，基于此，本文應(yīng)用有限元技術(shù)計(jì)算分析提出了較為合理的結(jié)構(gòu)形式[3～5]。

1 過盈裝配分析有限元模型的建立

考慮模型的特點(diǎn)，及節(jié)省計(jì)算時間，分析時采取軸對稱模型進(jìn)行分析，分析步類型選擇Static，General（使用ABAQUS/Standard作為求解器）。有限元模型如圖1所示，分析時，壓頭將內(nèi)圈緩慢地壓入基座中，分析內(nèi)圈和基座過盈量為0.05mm、0.07mm和0.1mm三種過盈配合情況。內(nèi)圈和基座的材料特性為：彈性模量E=210000Mpa，泊松比u=0.3，壓頭采用解析剛體。分析三種過盈量下，內(nèi)圈及基座裝配好時內(nèi)圈外表面及上表面的應(yīng)力和接觸壓力，及其基座內(nèi)表面應(yīng)力。

圖1 有限元模型

2 接觸及邊界條件定義

在模型中，定義壓頭和內(nèi)圈上表面接觸及內(nèi)圈外表面和基座內(nèi)表面的接觸，內(nèi)圈和基座之間的摩擦系數(shù)為0.2，為了利于達(dá)到收斂，特將模型的初始狀態(tài)設(shè)置為內(nèi)圈首先被壓入基座3mm，內(nèi)圈與基座之間的過盈通過內(nèi)圈和基座的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)來模擬；內(nèi)圈和基座是軸對稱柔體，在基座底邊上約束U2方向位移，內(nèi)圈的軸向剛體位移通過摩擦力來消除。

分析包括兩個分析步，壓頭為軸對稱剛體，施加在壓頭參考點(diǎn)上的邊界條件為：第一分析步壓頭下移0.001mm，以便建立接觸；第二個分析步壓頭下移57mm，從而內(nèi)圈與基座完全配合。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)上述條件進(jìn)行分析，得出裝配體及零件的應(yīng)力和接觸壓力云圖（在此只列出過盈量為0.05mm的云圖）。

圖2 裝配體應(yīng)力云圖

圖3 內(nèi)圈應(yīng)力云圖

圖4 內(nèi)圈接觸壓力云圖

圖5 基座應(yīng)力云圖

由圖2可以看出，裝配體最大應(yīng)力為160.3Mpa。由圖3可以看出最大應(yīng)力位于內(nèi)圈內(nèi)表面下部。圖4所示內(nèi)圈最大接觸壓力約為88.8Mpa位于內(nèi)圈外表面下端?；淖畲髴?yīng)力位于內(nèi)表面中部，約為97.74Mpa，如圖5所示。

下面分別對過盈量為0.05mm、0.07mm和0.1mm三種情況下的應(yīng)力與接觸壓力進(jìn)行了對比分析。

如圖6和圖7所示為內(nèi)圈沿上表面從內(nèi)向外的應(yīng)力及接觸壓力變化曲線，從圖中可以看出，內(nèi)圈上表面應(yīng)力從內(nèi)向外逐漸減小，而且應(yīng)力隨著過盈量增加而基本上呈線性增長；而內(nèi)圈上表面接觸壓力從內(nèi)向外先減小再增大，并且也是隨過盈量的增加而基本呈線性增加。

圖6 內(nèi)圈上表面應(yīng)力隨路徑變化曲線

圖7 內(nèi)圈上表面接觸壓力隨路徑變化曲線

如圖8和圖9所示為內(nèi)圈沿外表面從上向下的應(yīng)力及接觸壓力變化曲線，從圖中可以看出，內(nèi)圈外表面應(yīng)力從上向下逐漸增加，而且應(yīng)力隨著過盈量增加而基本上呈線性增長；而內(nèi)圈外表面接觸壓力在上端急劇減小，在下端急劇增大，而在中部接觸壓力基本上保持不變，并且也是隨過盈量的增加基本呈線性增加。

圖8 內(nèi)圈外表面應(yīng)力隨路徑變化曲線

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Finite element analysis on affect of different interference to component assemble

XU Jun-fu

TH13.46

：A

1009-0134(2017)01-0067-03

2016-09-23

許軍富（1972 -），男，河南人，高級工程師，碩士，主要從事鉆修井項(xiàng)目管理以及鉆井管理以及鉆井自動化研究。