不同过盈量对零件装配影响的有限元分析
2017-02-10许军富
许军富
（中石化胜利石油工程沙特钻井项目管理部，东营 257000）
不同过盈量对零件装配影响的有限元分析
许军富
（中石化胜利石油工程沙特钻井项目管理部，东营 257000）
装配是机械产品生产过程中一个必不可少的环节，过盈装配时由于存在过盈量而产生的应力对装配好的机构性能有比较大的影响，严重时可能会造成机构的破坏。为此，应用有限元软件ABAQUS对不同过盈量的装配进行有限元分析，研究不同过盈量对装配的影响，预先掌握装配过程中的薄弱环节，提高产品装配质量，基于此，本文应用有限元技术计算分析提出了较为合理的结构形式。
零件；过盈量；装配；有限元
0 引言
过盈配合是机械工业中一种常见的零部件组装方式，齿轮、轴承以及火车车轮等与其装配轴之间的配合大多采用过盈配合。在工作外载荷作用下，能产生足够的摩擦力，以保证配合件之间不发生任何相对滑动，同时接触应力又不过大，装配件能正常工作。过盈装配时由于存在过盈量而产生的应力对装配好的机构性能有比较大的影响，严重时可能会造成机构的破坏[1,2]。
为避免或者减少上述事故的发生，文应用有限元软件ABAQUS对不同过盈量的装配进行有限元计算分析，研究了配合面之间的应力及接触压力分布规律；研究了不同过盈量对装配的影响，预先掌握装配过程中的薄弱环节，提高产品装配质量，基于此，本文应用有限元技术计算分析提出了较为合理的结构形式[3～5]。
1 过盈装配分析有限元模型的建立
考虑模型的特点，及节省计算时间，分析时采取轴对称模型进行分析，分析步类型选择Static，General（使用ABAQUS/Standard作为求解器）。有限元模型如图1所示，分析时，压头将内圈缓慢地压入基座中，分析内圈和基座过盈量为0.05mm、0.07mm和0.1mm三种过盈配合情况。内圈和基座的材料特性为：弹性模量E=210000Mpa，泊松比u=0.3，压头采用解析刚体。分析三种过盈量下，内圈及基座装配好时内圈外表面及上表面的应力和接触压力，及其基座内表面应力。
图1 有限元模型
2 接触及边界条件定义
在模型中，定义压头和内圈上表面接触及内圈外表面和基座内表面的接触，内圈和基座之间的摩擦系数为0.2，为了利于达到收敛，特将模型的初始状态设置为内圈首先被压入基座3mm，内圈与基座之间的过盈通过内圈和基座的节点坐标来模拟；内圈和基座是轴对称柔体，在基座底边上约束U2方向位移，内圈的轴向刚体位移通过摩擦力来消除。
分析包括两个分析步，压头为轴对称刚体，施加在压头参考点上的边界条件为：第一分析步压头下移0.001mm，以便建立接触；第二个分析步压头下移57mm，从而内圈与基座完全配合。
3 计算结果及分析
根据上述条件进行分析，得出装配体及零件的应力和接触压力云图（在此只列出过盈量为0.05mm的云图）。
图2 装配体应力云图
图3 内圈应力云图
图4 内圈接触压力云图
图5 基座应力云图
由图2可以看出，装配体最大应力为160.3Mpa。由图3可以看出最大应力位于内圈内表面下部。图4所示内圈最大接触压力约为88.8Mpa位于内圈外表面下端。基座的最大应力位于内表面中部，约为97.74Mpa，如图5所示。
下面分别对过盈量为0.05mm、0.07mm和0.1mm三种情况下的应力与接触压力进行了对比分析。
如图6和图7所示为内圈沿上表面从内向外的应力及接触压力变化曲线，从图中可以看出，内圈上表面应力从内向外逐渐减小，而且应力随着过盈量增加而基本上呈线性增长；而内圈上表面接触压力从内向外先减小再增大，并且也是随过盈量的增加而基本呈线性增加。
图6 内圈上表面应力随路径变化曲线
图7 内圈上表面接触压力随路径变化曲线
如图8和图9所示为内圈沿外表面从上向下的应力及接触压力变化曲线，从图中可以看出，内圈外表面应力从上向下逐渐增加，而且应力随着过盈量增加而基本上呈线性增长；而内圈外表面接触压力在上端急剧减小，在下端急剧增大，而在中部接触压力基本上保持不变，并且也是随过盈量的增加基本呈线性增加。
图8 内圈外表面应力随路径变化曲线
【】【】
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
许军富（1972 -），男，河南人，高级工程师，硕士，主要从事钻修井项目管理以及钻井管理以及钻井自动化研究。
