套筒与轴热套装过程的接触有限元分析.pdf

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1、制造技术／工艺装备现代制造工程2010年第2期套筒与轴热套装过程的接触有限元分析刘晓东，梁林，于意(同济大学机械工程学院，上海200092)摘要：运用MSC．Marc对套筒与轴的热套装过程进行有限元模拟，涉及热机耦合分析和接触分析。在建立合理的有限元模型、正确定义和选择边界条件的基础上，分析套筒受热自由膨胀状态以及套筒与轴过盈配合的应力应变，最后通过对比分析模拟结果与试验结果验证有限元分析的合理性，为结构的进一步改进提供理论依据。关键词：有限元分析；热机耦合；接触应力应变中图分类号：TP317文献标识码：A文章编号：167l-3133(2010)02删7—04Thermo

2、-mechanicalcouplingandcontactanalysisforinterferencefitprocessofsleeveandshaftLIUXiao—dong。LIANGLin，YUYi(SchoolofMechanicalEngineering，Ton舒iUniversity，Shanghai200092，China)Abstract：HeatinterferencefitbetweensleeveandshaftwasanalyzedwithMSC．Marc．Therationalfiniteelementmodelwase8一tablished

3、，thenfreeexpansionofsleevewhenbeingheatedandthecontactfrominterferencefitwereanalyzed．Finally，comparisonandanalysisweremadebetweentheresultsofmeasurementandFEManalysis．Thiswholeanalysisprovidestheoreticfoundationforstructureimprovementandreferentialvaluefordesign．Keywords：finiteelementana

4、lysis；thermo—mechanicalcoupling；contactstressandstmin0引言热套装是指利用热胀冷缩原理，将套筒加热至适当温度后，套装在轴上，待冷却后就在接触表面产生套筒受拉、轴受压的应力，并在套筒与轴上产生切向应变，进而产生紧密配合。热套装应用广泛，如车轮套装在车轴上等，并有很多优点，如对中精度高，承载能力大，且可避免零件由于键槽而被削弱等。可是在配合中所不可避免的应力集中对联接的可靠性和疲劳寿命有着非常直接的影响，另外在设计套筒与轴的过盈配合时，其过盈量不能太大，否则会使套筒的内孔受到很大的切向应力，导致内孔破裂；过盈量也不能过小，否

5、则就无法保证轮轴组合的可靠性工作。因此研究在不同过盈量下所产生的应力应变的分布规律是十分重要的。虽然在工程中可以采用经典弹性力学来设计和校核套筒与轴的过盈配合，但这种解析法一般是把过盈配合作为平面应变加以处理，没有从热装配的过程加以考虑，无法求解过盈配合后应力沿轴向的分布规律以及配合过程中所形成的应力集中。有限元技术无疑是分析过盈联接这样复杂应力应变状态问题的有效方法。本文以工程上常用的套筒与轴配合为研究对象，运用MSC．Marc对热套装的接触过程进行有限元分析，研究使用热套装技术进行过盈配合所产生的应力应变等，分析过程主要涉及热机耦合分析和弹性体接触分析，最后对比分析模

6、拟结果与试件试验测试结果。1轴套热套装理论1．1热机耦合有限元法热套装包括套筒受热自由膨胀和套筒冷却并与轴接触配合等过程。在此过程中，温度与位移两种不同场变量之间存在很强的耦合作用。因此，分析中需要同时处理热传导和力平衡两类不同场方程。对体积为y，边界为Is的连续介质，根据能量守恒方程和力平衡方程，并在引人柯西应力的基础上，依据虚功原理，可建立结构位移地所需满足的热机耦合能量守恒方程为式(1)。户。挚儿pbi6uldV-乒孰吖⋯．(1)式中：q为速度场；6i为给定体积力；p为密度；％为柯77现代制造工程2010年第2期制造技术／工艺装备西应力分量；Su。为结构位移11,。

7、的增量；髫i为法线S方向上的距离。若忽略惯性项的影响，则式(1)右端第二项可以去掉，因而可用弱耦合的增量非线性有限元法处理热机耦合问题。1．2接触理论轴与套筒过盈配合属于典型的接触问题。接触问题属于边界条件高度非线性问题，主要表现为接触表面的改变、接触面的变形、摩擦和滑移等强非线性性质以及接触的不可逆性。因此需要采用最有效的方法——有限元法解决。其接触算法可简述为：在将物体离散为有限单元之后，接触的间隙量可以用相应节点位移和初始间隙来表示，如式(2)所示，并通过在势能泛函数中引入用Lagrange乘子法表示的接触界面条件所构造