ABAQUS模拟过盈配合解决材料选择及公差带设计等问题.PDFVIP

ABAQUS模拟过盈配合解决材料选择及公差带设计等问题 张 丽 (标致雪铁龙中国 上海) 摘 要：本文针对某型发动机在开发过程中出现的配合部件公差带设计不合理导致的过盈量不足而产生脱离现象的问题，应用ABAQUS进行非线性 有限元分析。根据分析结果，考察初始设计的过盈量、材料选择是否合适。并针对优化后的设计进行分析，从而解决了产品表现不稳定的问题。 关键词： ABAQUS 过盈 接触 1 前言 在原始设计中，某型发动机的凸轮轴和位置传感器触发轮曾有在旋转过程中脱出的现象产生，究其原因，是因为两者过盈量 设计不合理，故需重新修改其过盈配合公差带。 对于过盈量上限，增大的幅度不可过大，否则会引起孔件的变形量过大甚至破坏，触发器变形量过大还会影响备用件的更 换，增大了成本。分析目标是确保凸轮轴不产生或产生微小的变形量，而尽量让触发轮产生变形，并尽量控制在弹性变形范围 内。 对于过盈量下限，确保有足够大的量来保证两者不脱出。 为了达到以上目标，我们可以从两方面来控制。首先，控制过盈量的大小，另外选择合适的触发轮材料。故需要进行考虑接 触的非线性分析。 2 分析方法 为考察两零部件的结合情况，直观的方法是查看结合面上的压力以及两零部件的变形量。装配情况下压力要大于零，但要小 于断裂极限的安全系数倍，同时，保证部件的变形在弹性范围内或尽量的小。 作者分别针对最大过盈量和最小过盈量进行了两组分析模拟。 针对最大过盈量，分析分为两步完成。第一步：初始接触。第二步：压入。几何模型无初始穿透，采用设置*CONTACT [1] [2] INTERFERENCE 语句的方法来模拟过盈配合接触，并自定义从0到1的幅值曲线 ，考察是否破坏或变形过大。 针对最小过盈量，增加了第三步：拉出。考察固定点的作用反力，便可以得到触发轮所能承受的最大拉力，考察是否会脱 出。 3 分析模型 3.1 有限元模型 本次仿真分析的几何模型包括凸轮轴的局部模型和位置传感器触发轮模型，并简化了无关的部分。 为得到正确的计算结果，必须精确的建立有限元模型。本次分析有限元模型如图1所示，采用C3D8I六面体缩减积分网格划 分。 图1 有限元模型 3.2 材料 考察材料塑性阶段，故需打开STEP中的大变形按钮。 杨氏模量 泊松比 屈服极限 断裂极限 密度 延伸率 凸轮轴 115000Mpa 0.27 190Mpa 220Mpa 7870kg/m3 0.2% 触发轮 140000Mpa 0.22 140Mpa 202Mpa 6800kg/m3 3.5% 3.3 边界条件和载荷 (1) 全约束凸轮轴模型一端的节点。 (2) 另一端的触发轮上施加轴向的强制位移。 3.4 接触 凸轮轴和触发轮的接触面采用有限滑移。 4 计算结果 由应力和变形量结果(如图2，3，4所示)我们可以判断，凸轮轴上的应力已经明显超过了材料屈服极限的安全系数倍，且变 形量也超过了0.2%的极限，两者的变形量都比较大，故该设计需要进一步修改。 图2 凸轮轴应力结果 图3 凸轮轴应变结果 图4 触发轮应变结果 5 设计优化 针对以上计算结果，可以采取两种方法来优化。一是修改设计尺寸，即修改尺寸公差带的过盈上限。二是触发轮选用其它备 用材料。材料参数如下： 杨氏模量 泊松比 屈服极限 断裂极限 密度 延伸率 触发轮 140000Mpa 0.22 125Mpa 190Mpa 6800kg/m3 3.4% 6 优化后的计算结果及评估 作者改用备选材料重新进行分析，分析结果如下：