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过盈配合有限元分析:滑动力、扭矩、接触面积

机械产品过盈配合,通常要考虑设计的过盈量能传递多大的力/力矩,而不会打滑。采用Simcenter SOL 101线性静态有限元分析方法,可以快速模拟不同过盈量的接触压力,计算滑动力和摩擦力矩。对于配合面没有完全接触的情况,可以将接触区域的等值线以jt格式输出,并导入到ug几何实体prt文件中,画出接触区域并测量其面积大小。

Simcenter网格划分

几何模型轴和孔的直径可以画成一样大(既没有过盈也没有间隙),后续在仿真中可以设置接触面的过盈量,本例的轴孔直径均为30mm。在划分网格时,轴和孔圆周方向的节点最好对齐,避免网格近似造成的干涉(网格组成的多边形近似代表圆形)。Simcenter的网格配对命令,可以保证接触面上的节点对齐。

过盈量设置

零件材料为钢,单边过盈量0.02mm。采用Simcenter SOL 101线性静态解算方案,约束带孔零件的底面,轴孔配合面设置接触。轴的表面向外偏置0.02mm,模拟过盈量。

注意:SOL 101线性静态解算方案的优势在于快速校核设计方案,劣势则是无法考虑非线性。如果过盈量太大,材料发生屈服,应该采用非线性分析方案。

根据接触压力计算滑动力和力矩

查看接触压力结果,最大值138MPa,最小值89MPa。选择轴表面接触区域的所有节点,可以统计出接触面的平均压力:100MPa。

轴孔直径30mm,配合长度25mm,计算圆柱配合面的面积为:S=25*30*3.14=2355mm2
面积×平均接触压力,得到接触法向力:F=235500N。假设摩擦系数为0.1,则滑动力f=0.1F=23550N

采用Simcenter SOL 401多步非线性分析方案和Abaqus对以上结果进行验证。第一步计算过盈配合,第二步沿着轴线方向施加位移计算反力。
Simcenter SOL 401计算的滑动力为:23081N;Abaqus计算的滑动力为:22960N。两者均与前面的计算结果接近,误差不超过3%.

将圆周方向的滑动摩擦力乘以轴的半径,就可以得到摩擦扭矩:T=23550*15=353250N.mm=353N.m。

轴孔配合面没有完全接触的情况

在前面的案例中,轴孔配合面上的接触压力最小值是89Mpa,说明接触面上每个位置的接触压力均大于零,即整个圆柱配合面完全接触。

如果带孔零件上有一个开口,配合面将出现接触压力为零的区域(没有接触,存在间隙)。将接触压力小于0.01MPa的区域隐藏掉,平均接触压力为15MPa,如下图所示:

这种情况,如果想要计算接触区域的面积,可以将云图改为等值线显示方式,输出jt格式的文件。

然后将jt曲线导入原始ug几何模型中,拆分出接触区域。下图中红色代表接触区域。

在ug建模界面,可以测量出接触区域的面积为:1449mm2

面积×平均接触压力,得到接触法向力:F=1449*15=21735N。假设摩擦系数为0.1,则滑动力f=0.1F=2174N。滑动力乘以半径,得到摩擦扭矩为:T=2174*15=32610N.mm=32.6N.m

Simcenter SOL 101线性静态解算方案,可以帮助工程师在产品设计初期快速了解过盈配合的滑动力/力矩。

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