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,必須對其進行疲勞分析。介紹了運用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用,提高了工作效率,在設計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)
關鍵字: 軸疲勞分析 SolidWorksCosmos

現(xiàn)代產(chǎn)品設計需要通過工程分析手段預測產(chǎn)品的使用壽命,井使之成為產(chǎn)品設計的一部分。許多機件如軸、齒輪等都是在交變應力下工作的,機件在這種變動載荷下經(jīng)過較長時間工作就會發(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,所以常造成嚴重的事故。據(jù)統(tǒng)計,在損壞的機器零件中,除磨損外,大部分是由金屬疲勞造成的。

設計人員以往在概念或詳細設計階段通常使用簡單而不真實的計算來估計產(chǎn)品的壽命。而實際產(chǎn)品壽命只有等到產(chǎn)品樣機制造完成或到試驗階段才能得到初步驗證,無形中增加了大量的開發(fā)成本。即使是這樣,很多與失效相關的參數(shù)不可能在試驗估計出來,通常情況下要等到產(chǎn)品使用一段時間后才能發(fā)現(xiàn),如因結構疲勞引起的產(chǎn)品報廢,甚至是災難性事故(如:曲軸或葉片斷裂,飛機失事,火車出軌,船休焊縫開裂等)。因此,在產(chǎn)品設計階段利用有效的分析軟件預測產(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,必須對其進行疲勞分析。

    1設計思想及設計過程

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

結合工作實際,建立同步齒輪泵齒輪軸的模型,其基本參數(shù)為:轉速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體及曲線:

(1)建立中心軸為基準軸;

(2)創(chuàng)建"分割線":選擇"上視"基準面,在軸的加載墊塊位置繪制一矩形;選擇"插人"~"分割線",設置類型為"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靜態(tài)計算結果來計算疲勞,所以首先要計算齒輪軸在工作狀態(tài)下的受力情況,然后才能創(chuàng)建疲勞研究進行分析。

(1)建立靜態(tài)研究并設置材料屬性

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)"點擊"完成"。
②右擊"靜力分析",點擊"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"選項被選中。點擊"確定",關閉對話框。

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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"應用扭矩";加載的面選擇"分割線"所劃分的曲面;選擇"基準軸"作為參考軸;設置扭矩為129.6 Nm。點擊"確定"完成"力-1"的創(chuàng)建,按此步驟完成其他2個力的創(chuàng)建
②點擊"離心力"按鈕,選擇"基準軸"作為離心力的參考軸,并設置轉速。
③點擊"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。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定為零,它不適用于旋轉。
④點擊"力",選擇"應用正常力",選擇3個而,輸入力的值。如圖4所示。

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(3)劃分網(wǎng)格并運行,查看靜力分析結果

齒輪軸的靜力分析結果如圖5所示,其最小安全系數(shù)為1.6。

    2疲勞研究

一般構件是根據(jù)S-N曲線進行設計和選擇材料的,但是設計的可靠性不能因為有了S-N曲線就會得到充分的保證。在實踐中發(fā)現(xiàn),對于重要的受力構件,即使是在考慮安全系數(shù)后進行設計,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得出來的。但是實際情況并非如此,經(jīng)過加工和使用過程中的構件由于種種原因,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,含有這種裂紋的構件承受交變載荷作用時,表面裂紋會立即開始擴展,最后導致災難性的破壞。

SolidWorksWorks使用"疲勞強度縮減因子"來解決實際情況疲勞破壞與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,將疲勞縮減因子設置為0.9。
(3)添加事件:右擊"負載",打開"添加事件",設置循環(huán)次數(shù)為1 000 000 ,"負載類型"設置為"完全反車專"。
    (4)運行并觀察結果:右擊"結果"文件夾,分別打開"疲勞圖解"、"生命圖解(列出每個節(jié)點引起疲勞破壞所需要的循環(huán)次數(shù))"、"安全系數(shù)圖解(列出每個節(jié)點對應節(jié)點實際應力與極限強度應力的比值)"、"雙軸性指示符(列出每個節(jié)點最小主應力與最大應力的比值)"。其雙軸性指示符如圖6所示。

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3結語

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

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