基于SolidWorks Cosmos的同步齒輪泵軸的疲勞分析

2013-06-07 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

齒輪軸是同步齒輪泵中極其重要的零件,為了提高其可靠性,必須對其進(jìn)行疲勞分析。介紹了運(yùn)用SolidWorks中的插件CosmosWorks對齒輪軸的疲勞分析,相對于其他有限元軟件簡單且實(shí)用,提高了工作效率,在設(shè)計(jì)中就可以初步估算產(chǎn)品的壽命。

作者: 徐華俊*周龍來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 軸疲勞分析 SolidWorksCosmos

現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要通過工程分析手段預(yù)測產(chǎn)品的使用壽命,井使之成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一部分。許多機(jī)件如軸、齒輪等都是在交變應(yīng)力下工作的,機(jī)件在這種變動載荷下經(jīng)過較長時(shí)間工作就會發(fā)生疲勞斷裂。疲勞斷裂與靜載荷下的斷裂不同,無論在靜載荷下顯示脆性或韌性的材料,在疲勞斷裂時(shí)都不產(chǎn)生明顯的塑性變形,斷裂是突然發(fā)生的,所以常造成嚴(yán)重的事故。據(jù)統(tǒng)計(jì),在損壞的機(jī)器零件中,除磨損外,大部分是由金屬疲勞造成的。

設(shè)計(jì)人員以往在概念或詳細(xì)設(shè)計(jì)階段通常使用簡單而不真實(shí)的計(jì)算來估計(jì)產(chǎn)品的壽命。而實(shí)際產(chǎn)品壽命只有等到產(chǎn)品樣機(jī)制造完成或到試驗(yàn)階段才能得到初步驗(yàn)證,無形中增加了大量的開發(fā)成本。即使是這樣,很多與失效相關(guān)的參數(shù)不可能在試驗(yàn)估計(jì)出來,通常情況下要等到產(chǎn)品使用一段時(shí)間后才能發(fā)現(xiàn),如因結(jié)構(gòu)疲勞引起的產(chǎn)品報(bào)廢,甚至是災(zāi)難性事故(如:曲軸或葉片斷裂,飛機(jī)失事,火車出軌,船休焊縫開裂等)。因此,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段利用有效的分析軟件預(yù)測產(chǎn)品壽命就顯得非常必要。齒輪軸是同步齒輪泵中極其重要的零件,為了提高其可靠性,必須對其進(jìn)行疲勞分析。

    1設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)過程

SolidWorksCosmos是一種新的有限元分析(FEA)解決方案,從簡單的應(yīng)力和分布方式測試到更為復(fù)雜的分析(例如,沖擊測試、非線性和疲勞分析),COSMOS都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它為用戶得到高質(zhì)量分析結(jié)果提供了簡單而高效的方法,同時(shí)滿足高端用戶在簡單的F"EA軟件實(shí)現(xiàn)完全的分析控制的需求,從而幫助客戶真正實(shí)現(xiàn)縮短上市時(shí)間、減少成本并提升工程生產(chǎn)力。

結(jié)合工作實(shí)際,建立同步齒輪泵齒輪軸的模型,其基本參數(shù)為:轉(zhuǎn)速1 500 r/s,材料20CrMnTi,輸人扭矩129.6 N.m,在A,B處支撐(見圖1),花鍵處承受18 4fi0 N的徑向力,求在工作載荷下的壽命問題。

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    1.1三維建模

齒輪軸的三維模型如圖2所示。

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建模完成后,為r加載方便,需要在鍵聯(lián)接處添加幾條參考實(shí)體及曲線:

(1)建立中心軸為基準(zhǔn)軸;

(2)創(chuàng)建"分割線":選擇"上視"基準(zhǔn)面,在軸的加載墊塊位置繪制一矩形;選擇"插人"~"分割線",設(shè)置類型為"投影",在圖形區(qū)域選擇軸的圓柱面為要分割的面。按此步驟依次在圖中3個(gè)位置創(chuàng)建分害吐線,如圖3所示。

    1.2靜力分析

CosmosWorks和Ansys一樣都必須基于一個(gè)靜態(tài)計(jì)算結(jié)果來計(jì)算疲勞,所以首先要計(jì)算齒輪軸在工作狀態(tài)下的受力情況,然后才能創(chuàng)建疲勞研究進(jìn)行分析。

(1)建立靜態(tài)研究并設(shè)置材料屬性

①打開"研究"對話框,定義研究類型為"靜力分析";分析類型為"靜態(tài)"點(diǎn)擊"完成"。
②右擊"靜力分析",點(diǎn)擊"屬性",打開"static"對話框。確保解算器為"FFEPIus"(迭代方法)和"使用軟彈簧使模型穩(wěn)定"選項(xiàng)被選中。點(diǎn)擊"確定",關(guān)閉對話框。

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(2)建立約束并施加載荷

①右擊"力"按鈕,選擇施加力的類型為"應(yīng)用扭矩";加載的面選擇"分割線"所劃分的曲面;選擇"基準(zhǔn)軸"作為參考軸;設(shè)置扭矩為129.6 Nm。點(diǎn)擊"確定"完成"力-1"的創(chuàng)建,按此步驟完成其他2個(gè)力的創(chuàng)建
②點(diǎn)擊"離心力"按鈕,選擇"基準(zhǔn)軸"作為離心力的參考軸,并設(shè)置轉(zhuǎn)速。
③點(diǎn)擊"制約"按鈕,制約面選擇A,B處的面。類型選擇"合葉",合葉制約是指定圓柱面只能繞自己的軸旋轉(zhuǎn)。注意不可選擇"不可移動"制約,"不可移動"制約是將所有平移自由度設(shè)定為零,它不適用于旋轉(zhuǎn)。
④點(diǎn)擊"力",選擇"應(yīng)用正常力",選擇3個(gè)而,輸入力的值。如圖4所示。

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(3)劃分網(wǎng)格并運(yùn)行,查看靜力分析結(jié)果

齒輪軸的靜力分析結(jié)果如圖5所示,其最小安全系數(shù)為1.6。

    2疲勞研究

一般構(gòu)件是根據(jù)S-N曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)和選擇材料的,但是設(shè)計(jì)的可靠性不能因?yàn)橛辛薙-N曲線就會得到充分的保證。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),對于重要的受力構(gòu)件,即使是在考慮安全系數(shù)后進(jìn)行設(shè)計(jì),仍然產(chǎn)生過早的破壞。出現(xiàn)這種情況的主要原因是S-N曲線是用表面經(jīng)過精心拋光并無任何宏觀裂紋的光滑試件通過試驗(yàn)得出來的。但是實(shí)際情況并非如此,經(jīng)過加工和使用過程中的構(gòu)件由于種種原因,例如非金屬夾渣、氣泡、鍛造和軋制缺陷、腐蝕坑等都會存在各種形式的裂紋,含有這種裂紋的構(gòu)件承受交變載荷作用時(shí),表面裂紋會立即開始擴(kuò)展,最后導(dǎo)致災(zāi)難性的破壞。

SolidWorksWorks使用"疲勞強(qiáng)度縮減因子"來解決實(shí)際情況疲勞破壞與S-N曲線(理想狀態(tài))的矛盾。

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    定義疲勞研究

(1)打開"研究"對話框,定義研究名稱為"疲勞分析",分析類型為"疲勞",點(diǎn)擊"確定"。
(2)右擊"疲勞"研究,選擇"屬性",打開"疲勞"對話框,將疲勞縮減因子設(shè)置為0.9。
(3)添加事件:右擊"負(fù)載",打開"添加事件",設(shè)置循環(huán)次數(shù)為1 000 000 ,"負(fù)載類型"設(shè)置為"完全反車專"。
    (4)運(yùn)行并觀察結(jié)果:右擊"結(jié)果"文件夾,分別打開"疲勞圖解"、"生命圖解(列出每個(gè)節(jié)點(diǎn)引起疲勞破壞所需要的循環(huán)次數(shù))"、"安全系數(shù)圖解(列出每個(gè)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)節(jié)點(diǎn)實(shí)際應(yīng)力與極限強(qiáng)度應(yīng)力的比值)"、"雙軸性指示符(列出每個(gè)節(jié)點(diǎn)最小主應(yīng)力與最大應(yīng)力的比值)"。其雙軸性指示符如圖6所示。

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3結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了用SolidWorks中的插件CosmosWorks對齒輪軸進(jìn)行疲勞分析的方法,相對于其他有限元分析軟件,使用SolidWorks Cosmos進(jìn)行有限元分析,無需導(dǎo)出數(shù)據(jù)或離開SolidWorks二維建模界面的情況下即可完成其設(shè)計(jì)方案的分析工作,可以提高設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率,降低設(shè)計(jì)成本。

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