链传动结构的有限元数值分析_殷水平
2006年5月May2006
汕头大学学报(自然科学版)
JournalofShantouUniversity(NaturalScience)
第21卷第2期
Vol.21No.2
文章编号:1001-4217(2006)02-0049-05
链传动结构的有限元数值分析
殷水平1,肖
(1.湘潭大学基础力学与材料工程研究所,湖南
安徽
芜湖
湘潭
锋2,曹诤3
湘潭
411105;2.奇瑞汽车有限公司汽车工程研究院CAE部,
411105)
241009;3.湘潭大学土木工程与力学学院,湖南
摘要:以弹性接触理论为基础,利用通用有限元软件ANSYS对载荷工况下的链传动结构
进行有限元数值模拟,通过计算结果对链传动结构的强度、刚度进行了分析,表明链传动结构在载荷工况下能够满足设计要求,并且具有较高的安全储备.关键词:弹性接触;有限元;数值分析;链传动;强度;刚度中图分类号:TH132.45
文献标识码:A
0
引言
机械产品的设计与开发是安全性与经济性的统一,要在保证产品安全性的前提下,不断降低产品成本,获得经济效益.对机械产品设计,传统的方法是先设计出成品,然后对产品进行测试,发现其中的不足,再对原设计方案进行修改,如此反复,直到设计出满意的产品为止.这种设计思路,增加了产品的研发成本,延长了产品的开发周期,使得企业在激烈的竞争中处于不利地位.在传统力学与现代计算数学基础上发展起来的有限元方法与计算机的结合,彻底改变了这种传统的方法,从产品的设计到产品方案的确定可全部由计算机来完成,从而减少了研发成本,缩短了产品的开发周期.
链传动是应用极其广泛的机械传动,它广泛地应用在石油矿场机械、矿山机械、农业机械和汽车上.因此,对链传动设计计算方法的研究具有实际意义[1-2].本文通过通用有限元软件ANSYS对链传动结构及其接触进行了数值模拟,从链传动结构的强度、刚度两方面,对有限元计算结果进行了分析,表明链传动结构在满足设计的同时,还具有较高的安全储备.
1
链传动弹性接触模型
链传动结构中,销轴与套筒、套筒与链轮之间都是圆弧形物体的弹性接触问题,
可运用赫兹接触理论对两个处于平面应变状态的相同圆柱的接触情况来加以说明[3-6].根据对称原理可知,接触区是由于两个圆柱相互挤压而形成的一个接触平面,如图1所示.
这种接触情况的特点是接触区的宽度随着载荷的增加而增加,鉴于接触区中心的变
收稿日期:2005-12-12
作者简介:殷水平(1980~),男,湖南益阳人,硕士.E-mail:ysp8293@xtu.edu.cn
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接触区
P
P
R
R
接触区
2a
(a)两柱体接触截面
(b)柱体接触区域
图1两相同柱体接触时压力分布
形比两端的大,可以预期接触压力不再是恒定不变的.当两个相同的弹性圆柱在单位轴向长度的法向载荷P作用下接触时,设平面接触区的宽度为2a,如图1(b).由于接触区中心的法向变形比两端的大,可假设在接触区坐标为x的位置,其接触压力p的分布形式为:
2
p=2P(1-x)1/2
πa(1)
考虑到变形,可知增加载荷会使a增大,从而使应变增大.因此可以预期无量纲变形的关系式为:变形∝(a/R),式中R为圆柱的半径.根据应力和变形关系式可得P/a∝E(a/
R),这种情况下的解为:a2=4PR(1-v2)/πE(2)
式中E、v分别为材料的弹性模量和泊松比系数.由式(1)和(2)求得的结果也适用于两圆柱不相同的情况,即两不同圆柱具有平面接触形状时.对于其他的接触形状,只要圆柱接触宽度所对的圆心角小于30°,如图2(a),也可应用上述结果,只需变换E和R即可,
2等效E'和R'变换为:1/E'=(1-v2其中E1,E2,v1,1)/E1+(1-v2)/E2,1/R'=1/R1+1/R2,v2,R1,R2分别代表两个不同柱体的弹性模量、泊松比、半径,因此可得,a2=4PR'/(πE').
当圆柱位于平面上时,如图2(b),平面的半径可取为无限大,因此R就是圆柱的半径.对于凹面的曲率,如图2(c),半径可取为负值.
R1
R1
R2
R1
R2
(a)
圆柱外接触
(b)
圆柱位于平面上
(c)
圆柱内接触
图2其它接触模型
2
2.1
链传动接触应力的计算
链传动基本参数
为对链传动进行计算和分析,本文采用与某公司合制的HZL-25型沥青转运车有限
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元数值计算与优化设计的结构参数、性能参数,如表1.
表1
传动比
链轮齿数
传递功率
链传动设计结构参数和性能参数
齿顶圆直径
链节数
链轮转速・/(rmin-1)
抗拉强度
齿根圆直径
/kW23.8起落角
/mm296
分度圆直径
中心距
/kN≥310主(从)动轮轴径
/mm237.13
112链条节距
20894.4
总重量
刮板数
/mm70
/(°)5~22
/mm270.46
/mm6800
弹性模量
/kg1751.96
/mm100
泊松比
52/42.06×10110.29
2.2链传动有限元模型及加载
根据链传动链轮与链条的结构,销轴与外链片之间应为固定,内链片及耐磨衬套与
销轴之间产生转动.链轮与主动轴固定,在工作时主动轴带动链轮旋转,链轮再带动链条旋转.在法兰盘与减速器连接之间,假定有一个起固定作用的定位盘,并且法兰盘与定位盘之间有一个相对转动.因此在整个分析模型中,共定义了13个接触对.单元类型采用8节点6面体三维体单元,每个节点具有3个自由度.
根据之前的链传动弹性接触模型,其约束的施加如下:
1)由于分析模型根据结构的对称性已简化成一半,因此在对称面上要施加对称
约束;
2)对定位盘施加全约束;
3)为了防止在分析中出现链片的轴向移动,在内外链片上施加了一个z向的移动约束.
2.3链传动结果分析
利用ANSYS软件根据模型和参数进行数值模拟计算,对于计算结果,采用ANSYS软件附带的后处理,可以提取出所需要进行验证的数值结果.为了表达得比较直观,采用云图的方式来输出结果.
从有限元数值模拟结果得出的位移图(图3)和应力图(图4)来看,在齿轮和链条的上
图3
总位移云图
图4等效应力图
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下两个接触面上的应力分别为最大值和最小值,所以在链条张紧的接触面上,是一个危险的区域,也是可能发生断裂和破坏的地方.
在该局部结构中共采用了13个接触对,下面将列出2个接触对的接触应力、摩擦应力、渗透量和等效应力值.
通过分析,发现第8号接触对(张紧边第一根销轴与筒套之间的接触)和第14号接触对(张紧边第一个套筒与链轮轮齿的接触)为最危险区域.图5显示了第8号接触对上的应力和渗透量分布云图.其值分别为:1)接触应力最大的压应力值为25.7MPa,最小的拉应力值为-38.1MPa,如图5(a);2)摩擦应力最大的应力值为2.09MPa,如图5(b);3)最大渗透量为0.101×10-6m,如图5(c);4)最大等效应力值为64.0MPa,如图5(d).
(a)接触应力
(b)摩擦应力
(c)渗透量(d)等效应力
图5第8
号接触对基本情况
图6显示了第14号接触对上的应力和穿透量分布云图.其值分别为:1)接触应力最大的压应力值为48.0MPa,最小的拉应力值为-21.5MPa,如图6(a);2)最大摩擦应力为2.77MPa,如图6(b);3)最大穿透量为0.325×10-6m,如图6(c);最大的等效应力为48.0MPa,如图6(d).
整个结构的Mises等效应力分布见图4,其中最大的Mises等效应力值σe为99.2MPa,在销轴与外链板的联接处.已知销轴的材料为35号钢,其屈服极限σs为370.0MPa,则其安全系数:n=σs/σe=370/99.2=3.73<4,安全系数小于4,是不安全的,这是应力集中的结果,具有局部效应[7].若不考虑应力集中,其Mises应力值介于56.1~66.9
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(a)接触应力
(b)摩擦应力
(c)穿透量(d)等效应力
图6第14号接触对基本情况
MPa,取最大值时的安全系数为n=σs/σe=370/66.9=5.5>4,是安全的.
对于链板来说,其强度极限要求大于310.0MPa,其Mises应力值介于56.1~66.9MPa,取大值时的安全系数为n=σs/σe=310/66.9=4.65>4,是安全的.
对于主动轴,从图4可以看到,其Mises应力水平介于22.1~33.1MPa之间,取其最大值时的安全系数为(轴的材料为35号钢)n=σs/σe=370/33.1=11.18>7,是安全的.
对于链轮结构,其最大的Mises应力值为85MPa,链轮的材料为40Cr,其屈服极
限为490MPa,则其安全系数为n=σs/σe=490/85=5.76>4,满足安全性要求.
从图5中可以得到最大的接触总应力为64.0MPa,第8号接触对由销轴与套筒组成,销轴的材料为35号钢,其屈服极限为370MPa,则其安全系数为n=σs/σe=370/
64=5.76>4,也满足安全性要求.
3
结语
本文利用有限元软件ANSYS对链传动结构进行了数值模拟,对其强度、刚度进行了校核,表明其具有较高的安全储备,达到设计标准,能够为设计和制造提供有价值的参考.在实际的生产中,根据其结果进行结构的优化设计可以节省实验费用和材料,缩短产品开发周期.由于本文涉及到接触非线性,计算量大,对求解采用的接触参数来源于以往的经验,因此,减少工作量,采用更加合适的接触参数是今后待解决的问题.
(下转第76页
)
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DesignandImplementationofaCurriculumEvaluationSupporting
SystemwithHighAdaptability
YANGZhi-yun1a,LIUJian-bin1b,JIANGSong-qi2a,TIANZhen-yu2b
(1.BeijingInformationScienceandTechnologyUniversitya.Library;b.Dept.ofComputerScienceandEngineering,Beijing100085,China;2.ShantouUniversitya.TeachingAffairsDepartment;
b.ComputerScienceDepartment,Shantou
515063,Guangdong,China)
Abstract:Onthebasisofanalysisforthecurriculumevaluationflow,functionsanddevelopmentrequirements,acurriculumevaluationsupportingsystemisdesignedandimplementedunder3-tierarchitecture,UML,Model-View-Controller(MVC)patternandObject-Orientedtechnologies,whichhashighadaptability,powerfulfunctionality,andgoodmaintainability.
Keywords:curriculumevaluation;3-tierarchitecture;Model-View-Controller(MVC)pattern;modelmanagement;informationsystem
(上接第53页)参考文献:
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[7]郑志峰.链传动设计与应用手册[M].北京:机械工业出版社,1992.
TheNumericalAnalysisofChainTransmission
YINShui-ping1,XIAOFeng2,CAOZheng2
(1.InstituteofFundamentalMechanics&MaterialEngineering,XiangtanUniversity,Xiangtan411105,Hunan,China;2.CAEDepartmentVehicleSimulationSection,CheryAutomobileEngineeringResearchInstitute,Wuhu
241009,
Anhui,China;3.CivilEngineeringandMechanicsCollege,XiangtanUniversity,Xiangtan411105,Hunan,China)
Abstract:Basedonthetheoryofelasticcontact,finiteelementnumericalsimulationforchaintransmissionconstructinsomeloadingconditionhasbeendoneinthepaperbyusingcommonfiniteelementsoftwareandthecomputationalresultsareanalyzedintheaspectsofintensityandrigidity.Itisshownthattheconstructcansatisfythedemandsofdesignwithenoughsafetyreserveinthisloadingcondition.
:elasticcontact;finiteelement;numericalanalysis;chaintransmission;intensity;stiffnessKeywords