ABAQUS 模擬過盈配合解決材料選擇及公差帶設(shè)計(jì)等問題-環(huán)球資訊

2023-06-20 15:19:25 來源：博客園

背景

在原始設(shè)計(jì)中，某型發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸和位置傳感器觸發(fā)輪曾有在旋轉(zhuǎn)過程中脫出的現(xiàn)象產(chǎn)生，究其原因，是因?yàn)閮烧哌^盈量設(shè)計(jì)不合理，故需重新修改其過盈配合公差帶。對于過盈量上限，增大的幅度不可過大，否則會引起孔件的變形量過大甚至破壞，觸發(fā)器變形量過大還會影響備用件的更換，增大了成本。

【資料圖】

分析目標(biāo)是確保凸輪軸不產(chǎn)生或產(chǎn)生微小的變形量，而盡量讓觸發(fā)輪產(chǎn)生變形，并盡量控制在彈性變形范圍內(nèi)。對于過盈量下限，確保有足夠大的量來保證兩者不脫出。為了達(dá)到以上目標(biāo)，我們可以從兩方面來控制。首先，控制過盈量的大小，另外選擇合適的觸發(fā)輪材料。故需要進(jìn)行考慮接觸的非線性分析。

分析方法

為考察兩零部件的結(jié)合情況，直觀的方法是查看結(jié)合面上的壓力以及兩零部件的變形量。裝配情況下壓力要大于零，但要小于斷裂極限的安全系數(shù)倍，同時(shí)，保證部件的變形在彈性范圍內(nèi)或盡量的小。

作者分別針對最大過盈量和最小過盈量進(jìn)行了兩組分析模擬。針對最大過盈量，分析分為兩步完成。第一步：初始接觸。第二步：壓入。幾何模型無初始穿透，采用設(shè)置*CONTACT INTERFERENCE[1] 語句的方法來模擬過盈配合接觸，并自定義從 0 到 1 的幅值曲線[2]，考察是否破壞或變形過大。針對最小過盈量，增加了第三步：拉出?？疾旃潭c(diǎn)的作用反力，便可以得到觸發(fā)輪所能承受的最大拉力，考察是否會脫出。

分析模型

本次仿真分析的幾何模型包括凸輪軸的局部模型和位置傳感器觸發(fā)輪模型，并簡化了無關(guān)的部分。為得到正確的計(jì)算結(jié)果，必須精確的建立有限元模型。本次分析有限元模型如圖 1 所示，采用 C3D8I 六面體縮減積分網(wǎng)格劃分。

材料

考察材料塑性階段，故需打開STEP中的大變形按鈕。

楊氏模量泊松比屈服極限斷裂極限密度延伸率凸輪軸115000Mpa0.27190Mpa220Mpa7870kg/m 30.2%觸發(fā)輪140000Mpa0.22140Mpa202Mpa6800kg/m 33.5%邊界條件和載荷

(1) 全約束凸輪軸模型一端的節(jié)點(diǎn)。

(2) 另一端的觸發(fā)輪上施加軸向的強(qiáng)制位移。

接觸

凸輪軸和觸發(fā)輪的接觸面采用有限滑移。

計(jì)算結(jié)果由應(yīng)力和變形量結(jié)果(如圖2，3，4所示)我們可以判斷，凸輪軸上的應(yīng)力已經(jīng)明顯超過了材料屈服極限的安全系數(shù)倍，且變形量也超過了0.2%的極限，兩者的變形量都比較大，故該設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步修改。

設(shè)計(jì)優(yōu)化

針對以上計(jì)算結(jié)果，可以采取兩種方法來優(yōu)化。一是修改設(shè)計(jì)尺寸，即修改尺寸公差帶的過盈上限。二是觸發(fā)輪選用其它備用材料。材料參數(shù)如下：

楊氏模量泊松比屈服極限斷裂極限密度延伸率觸發(fā)輪140000Mpa0.22125Mpa190Mpa6800kg/m 33.4%優(yōu)化后的計(jì)算結(jié)果及評估作者改用備選材料重新進(jìn)行分析，分析結(jié)果如下：凸輪軸最大應(yīng)力在安全范圍內(nèi)，塑性應(yīng)變很小，觸發(fā)輪發(fā)生塑性變形，結(jié)果可為后期的備用件設(shè)計(jì)提供依據(jù) (如圖 5，6，7 所示) 。

在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)行最小過盈量情況下的計(jì)算，考察是出現(xiàn)脫出現(xiàn)象。計(jì)算結(jié)果如下：最大作用反力為 483.2N。結(jié)果說明，在配合下限時(shí)，觸發(fā)輪不會脫出，最大可以承受 483.2N 的力。

結(jié)論

本文通過應(yīng)用 ABAQUS 對發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸和位置傳感器觸發(fā)輪的裝配情況進(jìn)行了模擬，指導(dǎo)了設(shè)計(jì)，解決了產(chǎn)品表現(xiàn)不穩(wěn)定問題，并為之后的備用件設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] ABAQUS Inc. ABAQUS Analysis User’s Manual. ABAQUS Inc.

[2] 《有限元分析實(shí)例詳解》，石亦平等著，機(jī)械工業(yè)出版社，2006