過(guò)盈配合面的接觸剛度和接觸阻尼計(jì)算研究.pdf

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1、第42卷第3期2013年06月船海工程SHIP＆OCEANENGINEERINGV01．42No．3Jun．2013DOI：10．3963／j．issn．1671-7953．2013．03．024過(guò)盈配合面的接觸剛度和接觸阻尼計(jì)算研究萬(wàn)俟昊天，向陽(yáng)，夏雪寶，劉輝(武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢430063)摘要：研究過(guò)盈配合結(jié)合面特性，通過(guò)有限元法計(jì)算過(guò)盈配合結(jié)合面在不同過(guò)盈量下的接觸剛度和接觸阻尼。在ANSYS中建立了過(guò)盈配合組件的有限元模型，對(duì)模型施加一定的邊界條件，仿真后提取結(jié)合面上單元和節(jié)點(diǎn)的接觸壓力、位移等參數(shù)，

2、計(jì)算接觸剛度和接觸阻尼。運(yùn)用結(jié)構(gòu)響應(yīng)耦合方法，代人仿真計(jì)算得到的接觸剛度和接觸阻尼，建立過(guò)盈配合的理論模型，計(jì)算過(guò)盈配合一端的頻率響應(yīng)函數(shù)，與實(shí)測(cè)頻響函數(shù)對(duì)比，驗(yàn)證了接觸剛度和接觸阻尼的正確性。關(guān)鍵詞：過(guò)盈配合；接觸剛度；接觸阻尼；結(jié)構(gòu)響應(yīng)耦合中圖分類(lèi)號(hào)：U664文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1671-7953(2013)03-0085-06過(guò)盈配合是機(jī)械工程中一種常見(jiàn)的構(gòu)件連接方式，由于其配合連接緊密，可傳遞轉(zhuǎn)矩，承受很大的軸向力，已廣泛地應(yīng)用于重型機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)械、船舶、機(jī)車(chē)及通用機(jī)械中¨引。過(guò)盈配合的過(guò)盈量大小是否對(duì)設(shè)備整體的

3、動(dòng)態(tài)特性有影響，以及有多大影響是本文研究的目的，特別是獲得過(guò)盈配合結(jié)合面的特性參數(shù)(接觸剛度和接觸阻尼)。由于過(guò)盈配合結(jié)合面本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(結(jié)合面為封閉結(jié)構(gòu)，無(wú)法在結(jié)合面上布置傳感器)，難以采用試驗(yàn)的方法直接識(shí)別結(jié)合面特性參數(shù)，所以這里采用有限元計(jì)算的方法，建立過(guò)盈配合組件的有限元模型，對(duì)模型施加一定的邊界條件，仿真后提取結(jié)合面上單元和節(jié)點(diǎn)的接觸壓力、位移等參數(shù)，計(jì)算接觸剛度和接觸阻尼，最后再通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證結(jié)合面參數(shù)的正確性。1研究對(duì)象研究對(duì)象為軸和軸套的過(guò)盈配合，見(jiàn)圖1。軸和軸套材料為Q235，其幾何尺寸和材料屬性見(jiàn)表1。軸套

4、內(nèi)圓直徑選擇3種尺寸偏差：妒38-0-0．0705：，938-0-0．050394，驢38m-0．033008mm；與軸的尺寸偏差收稿日期：2012—1l一05修回日期：2012一Il一23基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51079118)第一作者簡(jiǎn)介：萬(wàn)俟昊天(1986一)，男，碩士生研究方向：振動(dòng)與噪聲控制E．mail：mqht．eric@hotmail．COrn妒38一：。。。mm配合，形成3種過(guò)盈量不同的配合形式，用代號(hào)表示分別為：U7／h6、$7／h6、N7／h6；其平均過(guò)盈量分別為：一0．0555mm、一0．0385mm

5、、一0．0125mm。圖1過(guò)盈配合示意表1過(guò)盈配合組件基本尺寸和材料屬性軸套軸長(zhǎng)度／mm外圓直徑／mm內(nèi)圓直徑／mm結(jié)合面長(zhǎng)度／mm密度／kg·m。彈性模量／Pa結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)泊松比摩擦系數(shù)1006008038一：016妒38一-00．0嘰5：，妒38：：：搿，938：；慧10078502X10“O．0050．30．2本文將過(guò)盈配合結(jié)合面特性參數(shù)定義為k小k町南價(jià)I

6、}帥、crf和c。舊1。見(jiàn)圖2，對(duì)于過(guò)盈配合，在軸上施加Y方向上的力．廠(t)，過(guò)盈配合結(jié)合面上沿z方向上任一點(diǎn)A產(chǎn)生位移Y，此時(shí)這一點(diǎn)表現(xiàn)的剛度特性即為kⅣ，阻尼特

7、性即為Crf；同樣施加力．廠(t)，A點(diǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)△口，此時(shí)這一點(diǎn)表現(xiàn)的剛度特性即為k甜。同理，施加力矩m(￡)，A點(diǎn)產(chǎn)生位移Y，此時(shí)這一點(diǎn)表現(xiàn)的剛度特性即為k。，阻尼特性即為Cym；同樣施加力矩m(t)，A點(diǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)△臼，此時(shí)這一點(diǎn)表現(xiàn)的剛度特性即為Ii}加。85第3期船海工程第42卷_一YL：圖2過(guò)盈配合結(jié)合面接觸剛度及阻尼定義2接觸剛度及接觸阻尼有限元計(jì)算根據(jù)軸和軸套尺寸屬性在ANSYS中建立過(guò)盈配合的有限元模型。建立有限元模型時(shí)，為了減少單元數(shù)量，節(jié)約運(yùn)算時(shí)間，將軸的長(zhǎng)度設(shè)為200mm。有限元模型中，軸和軸套采用SOL—I

8、Dl86單元，共計(jì)5610個(gè)；在軸和軸套配合的面上分別建立CONTAl74單元和TARGEl70單元(各816個(gè))，形成接觸對(duì)HJ。整個(gè)有限元模型共計(jì)26464個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖3所示為所建的有限元模型：坐標(biāo)原點(diǎn)位于軸孑L配合端面中心處(圖3所示坐標(biāo)位置)，戈軸為水平方向，Y軸為豎直方向，z軸為軸和軸套的軸線方向。。／一’

9、0人。∥。、一夕圖3過(guò)盈配合有限元模型進(jìn)行有限元計(jì)算的時(shí)候，約束軸套端面外圓上面上下左右4個(gè)節(jié)點(diǎn)，見(jiàn)圖3。仿真計(jì)算分兩個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)完成(每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)分別有5個(gè)子步)。在第一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)中施加過(guò)盈量，軸孔配合面上的接觸壓力

10、逐漸增大∞J。在第二個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)中，在軸的上端靠近軸孔配合處施加Y軸負(fù)方向的力和力矩(見(jiàn)圖3)。仿真計(jì)算中，力和力矩分10次施加：力為250～1250N，間隔250N；力矩為2．5～12．5Nm，間隔2．5Nm。以力的施加為例，兩個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)見(jiàn)圖4。圖5所示為過(guò)盈配