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 基于SolidWorks cosmos的同步齿轮泵轴的疲劳分析
发布者: 出处: 日期:2009/4/2 阅读:1682 推荐:0 点评:0
   

引言

现代产品设计需要通过工程分析手段预测产品的使用寿命,井使之成为产品设计的一部分。许多机件如轴、齿轮等都是在交变应力下工作的,机件在这种变动载荷下经过较长时间工作就会发生疲劳断裂。疲劳断裂与静载荷下的断裂不同,无论在静载荷下显示脆性或韧性的材料,在疲劳断裂时都不产生明显的塑性变形,断裂是突然发生的,所以常造成严重的事故。据统计,在损坏的机器零件中,除磨损外,大部分是由金属疲劳造成的。

设计人员以往在概念或详细设计阶段通常使用简单而不真实的计算来估计产品的寿命。而实际产品寿命只有等到产品样机制造完成或到试验阶段才能得到初步验证,无形中增加了大量的开发成本。即使是这样,很多与失效相关的参数不可能在试验估计出来,通常情况下要等到产品使用一段时间后才能发现,如因结构疲劳引起的产品报废,甚至是灾难性事故(如:曲轴或叶片断裂,飞机失事,火车出轨,船体焊缝开裂等)。因此,在产品设计阶段利用有效的分析软件预测产品寿命就显得非常必要。齿轮轴是同步齿轮泵中极其重要的零件,为了提高其可靠性,必须对其进行疲劳分析。

1设计思想及设计过程

Solidworks cosmos是一种新的有限元分析解决方案,从简单的应力和分布方式测试到更为复杂的分析(例如,冲击测试、非线性和疲劳分析),COSMOS都发挥着至关重要的作用。它为用户得到高质量分析结果提供了简单而高效的方法,同时满足高端用户在简单的FEA软件实现完全的分析控制的需求,从而帮助客户真正实现缩短上市时间、减少成本并提升工程生产力。

结合工作实际,建立同步齿轮泵齿轮轴的模型,其基本参数为:转速1500r/s,材料20CrMnTi,输人扭矩129.6 N.m,在A,B处支撑(见图1),花键处承受18460 N的径向力,求在工作载荷下的寿命问
 

图1   轴的草图
 

 

1.1三维建模



齿轮轴的三维模型如图2所示。
 

图2  轴的三维模型


建模完成后,为了加载方便,需要在键联接处添加几条参考实体及曲线:

(1)建立中心轴为基准轴;

(2)创建"分割线":选择"上视"基准面,在轴的加载垫块位置绘制一矩形;选择"插人"~"分割线",设置类型为"投影",在图形区域选择轴的圆柱面为要分割的面。按此步骤依次在图中3个位置创建分害吐线,如图3所示。
 

图3  创建分割线


1.2静力分析

Cosmosworks和Ansys一样都必须基于一个静态计算结果来计算疲劳,所以首先要计算齿轮轴在工作状态下的受力情况,然后才能创建疲劳研究进行分析。

(1)建立静态研究并设置材料属性

①打开"研究"对话框,定义研究类型为"静力分析";分析类型为"静态"点击"完成"。

②右击"静力分析",点击"属性",打开"static"对话框。确保解算器为"FFEPlus"(迭代方法)和"使用软弹簧使模型稳定"选项被选中。点击"确定",关闭对话框。

(2)建立约束并施加载荷

①右击"力"按钮,选择施加力的类型为"应用扭矩";加载的面选择"分割线"所划分的曲面;选择"基准轴"作为参考轴;设置扭矩为129.6 Nm。点击"确定"完成"力-1"的创建,按此步骤完成其他2个力的创建。

②点击"离心力"按钮,选择"基准轴"作为离心力的参考轴,并设置转速。

③点击"制约"按钮,制约面选择A,B处的面。类型选择"合叶",合叶制约是指定圆柱面只能绕自己的轴旋转。注意不可选择"不可移动"制约,"不可移动"制约是将所有平移自由度设定为零,它不适用于旋转。

④点击"力",选择"应用正常力",选择3个面,输入力的值。如图4所示。
 

图4  加载径向力

(3)划分网格并运行,查看静力分析结果

齿轮轴的静力分析结果如图5所示,其最小安全系数为1.6。
 
图5  安全系数图解


2疲劳研究

一般构件是根据S-N曲线进行设计和选择材料的,但是设计的可靠性不能因为有了S-N曲线就会得到充分的保证。在实践中发现,对于重要的受力构件,即使是在考虑安全系数后进行设计,仍然产生过早的破坏。出现这种情况的主要原因是S-N曲线是用表面经过精心抛光并无任何宏观裂纹的光滑试件通过试验得出来的。但是实际情况并非如此,经过加工和使用过程中的构件由于种种原因,例如非金属夹渣、气泡、锻造和轧制缺陷、腐蚀坑等都会存在各种形式的裂纹,含有这种裂纹的构件承受交变载荷作用时,表面裂纹会立即开始扩展,最后导致灾难性的破坏。

COSMOSworks使用"疲劳强度缩减因子"来解决实际情况疲劳破坏与S-N曲线(理想状态)的矛盾。

定义疲劳研究

(1)打开"研究"对话框,定义研究名称为"疲劳分析",分析类型为"疲劳",点击"确定"。

(2)右击"疲劳"研究,选择"属性",打开"疲劳"对话框,将疲劳缩减因子设置为0.9。

(3)添加事件:右击"负载",打开"添加事件",设置循环次数为1000000 ,"负载类型"设置为"完全反转"。

(4)运行并观察结果:右击"结果"文件夹,分别打开"疲劳图解"、"生命图解(列出每个节点引起疲劳破坏所需要的循环次数)"、"安全系数图解(列出每个节点对应节点实际应力与极限强度应力的比值)"、"双轴性指示符(列出每个节点最小主应力与最大应力的比值)"。其双轴性指示符如图6所示。
 

图6  双轴性指示符图解


3结语

本文详细介绍了用Solidworks中的插件Cosmosworks对齿轮轴进行疲劳分析的方法,相对于其他有限元分析软件,使用Solidworks cosmos进行有限元分析,无需导出数据或离开Solidworks三维建模界面的情况下即可完成其设计方案的分析工作,可以提高设计人员的设计效率,降低设计成本。
 

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