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基於ANSYS的冷剪切機偏心軸有限元分析

發布於:2019-09-17 20:08
有限元分析

      由國內引進圖紙製造的850MN冷剪切機,其結構形式為平行刀片式,剪切機構主要由偏心軸、連杆、刀台等零件組成。剪切產品規格為圓棒,剪切鋼種為合金鋼。包括GCr15軸承鋼、不鏽鋼、彈簧鋼、合金結構鋼等。其中,GCr15軸承鋼最具抗剪能力。本文針對小50mm規格GCr15軸承鋼的剪切,有限元分析校核最大剪切力下剪切機偏心軸的力能狀態。
      軋件在剪切過程中,可分為兩個階段:壓入和滑移階段,剪切過程由壓入階段過渡到滑移階段時剪刃對軋件的壓力屍即為剪切該軋件的剪切力。已知剪切力850MN,軋件為50mm規格GCr15軸承鋼,據此可求偏心軸上的靜力矩。剪切機偏心軸上的靜力矩由剪切力矩、摩擦力矩和空載力矩組成。
      由於偏心軸中間偏心部分短而粗,受載後變形較小,故可將作用在偏心軸上的連杆力看作均布載荷。根據對某些大型的偏心軸軸頸接觸應力的有限元計算結果,可認為支點距離軸承的實際支撐內側約為軸頸直徑的1/10。同時,由於傳動齒輪對偏心軸的作用力遠遠小於連杆力,可以忽略不計。偏心軸計算簡圖如圖所示。A-A斷麵受彎-扭聯合作用,但由於彎矩比扭矩大得一多,故可忽略扭矩。由於偏心軸斷麵複雜,倒角甚多,為保證分析結果的準確性,在三維建模軟件中嚴格按照圖紙尺寸建立偏心軸三維模型,不作簡化。再將其導入ANSYS有限元軟件中,建立有限元模型。劃分網格時,采用手動控製,對倒角、尖角等易造成應力集中處進行網格細化處理。施加約束時,在連杆和偏心部分接觸處施加周向約束。理論校核時,載荷簡化為集中力,在ANSYS中則施加餘弦力,在軸頸處施加徑向約束,在近齒輪的偏心軸端麵施加軸向約束。將扭矩計算好後以周向力的形式施加在偏心軸與齒輪接觸麵的節點上。具體方式如圖所示,偏心軸Von Mises應力圖及Y向(重力方向)應變圖如圖所示。   
      偏心軸最大Mises等效應力值為182MPa,小於40CrNiMn。許用應力值,因此,偏心軸強度滿足使用要求。最大等效應力位於偏心軸與連杆接觸部分階梯處,並非理論計算所得到的危險截麵處,這是因為理論計算時做了很多假設,例如,將剪切力簡化為線上的均布載荷,實際受力情況則是加載在偏心軸和連杆接觸麵上的餘弦力。同時,計算時也未考慮過渡圓角處的應力集中。圖顯示,偏心軸Y向(豎直方向)變形較小,最大不超過0.05 mm;同時,變形在水平方向呈對稱分布。
      理論計算得到132MPa,偏心軸所受彎矩的危險截麵在偏心軸偏心部分正中間,但是,經過ANSYS有限元分析,得出實際最大應力位於偏心軸與連杆接觸部分階梯處,最大應力182MPa。由此可知,通過理論計算得到的危險截麵不是應力最大處,原因是在理論分析時做了很多假設,且未考慮階梯倒角處的應力集中。對於複雜零件的校核,理論計算無法精確、全麵地得出結論,而有限元軟件則可做到,並且隻要加載、約束等合適,結果是可信的。


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