李 成,朱紅紅,鐵 瑛,何 龍
(鄭州大學機械工程學院,河南鄭州450001)
在發(fā)電機構(gòu)中,發(fā)電機內(nèi)部銷釘連接處發(fā)生定子繞組端部的壓板螺桿和固定支架松動;以及引線間絕緣墊塊脫落卡入線棒間而振動磨損線棒絕緣等現(xiàn)象;也曾發(fā)現(xiàn)在上、下層銷釘連接的鼻端處,內(nèi)部空心導線出現(xiàn)裂紋滲漏水和實心導線斷股的情況.因此,對發(fā)電機的連接構(gòu)件進行振動受力或拉拔受力的理論與實驗研究,提高發(fā)電機連接部位的強度和可靠性,對確保發(fā)電機可靠運行和預防事故發(fā)生是十分必要的.機械的連接分為機械靜連接和機械動連接,其中機械靜連接又分為可拆連接和不可拆連接.筆者所要討論的是用銷釘連接的可拆連接.發(fā)電機內(nèi)部有用銷釘連接的機構(gòu),在其工作過程中,由于設(shè)計的不對稱性,會產(chǎn)生不平衡的慣性力,從而使帶孔的連接件產(chǎn)生應力集中,銷釘受到剪切力和拉伸應力容易被破壞[1-3].維修過程中需要把銷釘拉拔出來,對處于拉拔過程中的板孔邊及整個板進行應力分析,對預測拆裝過程是否造成連接件的破壞有著重要意義.
單釘連接的板孔邊緣接觸應力分布是一個重要的問題[4-5].由于這個問題在銷釘與孔邊緣之間加入了移動邊界條件作為接觸區(qū)域,而且與載荷大小以及幾何、材料參數(shù)有關(guān),所以比較復雜[6].筆者采用有限元數(shù)值求解方法,對由圓柱銷釘和勻質(zhì)正交各向異性層合板構(gòu)成的連接結(jié)構(gòu)模型進行了銷釘拉拔過程的連接接觸應力計算,模型計算考慮了銷釘與板孔過盈配合產(chǎn)生的預應力及連接接觸非線性,較為精確地計算了銷釘拔出過程層板與銷釘上的應力分布,于工程應用分析提供了一定的參考依據(jù).
本模型是把某些結(jié)構(gòu)連接部位抽象出來,利用有限元軟件ANSYS來生成有限元模型.模型是由一個長方形的板和一個圓柱銷釘組成,其中長方體長和寬都是40 mm,厚度為h=10 mm;板中間的孔半徑r1=4.9 mm,厚度h1=10 mm;銷釘?shù)陌霃絩2=5 mm,長度為15 mm,銷釘為高碳鋼,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.29;板材料為碳/環(huán)氧樹脂層合板,其單層板材料屬性為E1=146.9 GPa,E2=11.38 GPa,E3=12.38 GPa,G12=G13=6.185 GPa,G23=5.78 GPa,ν12= ν13=0.3,ν23=0.42.
建立的有限元模型如圖1所示,(a)為全模型,(b)為剖開四分之一模型以便清楚展示內(nèi)部網(wǎng)格劃分情況,模型在板孔與銷釘接觸區(qū)域采取了網(wǎng)格細化,以便能精確計算接觸應力.對銷釘進行網(wǎng)格劃分時,為得到較為規(guī)整的網(wǎng)格,借助了劃分網(wǎng)格的輔助單元mesh200,先對銷釘縱向截面的一半矩形進行二維平面的網(wǎng)格劃分,然后將此矩形面帶同平面單元繞銷軸旋轉(zhuǎn)360°生成三維單元,銷釘采用的是三維八節(jié)點Solid45單元.層合板采用Solid64單元進行網(wǎng)格劃分,整個模型共含7 360個單元,8 304個節(jié)點.
圖1 有限元計算模型Fig.1 FEA model
本例所加的邊界條件是方板周邊4個面全約束,即x、y、z方向都不能產(chǎn)生位移;中間的銷釘在受力的作用時可以在z方向上移動,而在x、y方向不能產(chǎn)生位移,計算中在銷釘端面施加12.5 mm的位移載荷,即將銷釘從板中拉出為止,如圖2所示.
圖2 邊界與載荷條件Fig.2 Boundary and load conditions
銷釘與板孔連接有0.1 mm的過盈量,為合理模擬接觸行為,考慮拉拔過程中銷釘?shù)膹椥宰冃?,使用ANSYS柔對柔的面—面接觸單元:三維八節(jié)點四邊形單元TARGET170和CONTACT174,它們能很好地應用于過盈配合的接觸問題[7],其中目標面附著于板孔表面,接觸面附著于銷釘外表面,如圖3所示生成的接觸對.采用增廣Lagrangian接觸算法進行接觸力的求解,即設(shè)置接觸單元關(guān)鍵字keyopt(2)為默認值即可;為精確捕捉到過盈量,設(shè)置接觸單元關(guān)鍵字選項keyopt(9)等于2,包含初始幾何滲透且擁有漸變效應;設(shè)置接觸剛度自動更新即keyopt(10)=2;其它接觸單元關(guān)鍵字按默認設(shè)置.
圖3 生成的接觸對Fig.3 Generated contact pairs
由于銷釘與板孔過盈配合導致結(jié)構(gòu)在施加拉拔載荷前就存在裝配應力,為精確計算拉拔后結(jié)構(gòu)應力,首先需進行過盈配合導致的裝配應力計算.鑒此考慮分兩個載荷步進行計算求解.
載荷步一:只施加方板周邊4個側(cè)面的全約束邊界條件,而不施加任何外載荷(即將圖2的外載荷Uz去除),進行過盈配合預應力求解.
載荷步二:在載荷步一求解結(jié)果的基礎(chǔ)上,再施加位移載荷Uz=12.5 mm,進行銷釘從孔中拔出的應力求解.考慮載荷步二中較大的位移變化,采用較小的載荷步,并使用非線性有限元方法計算求解,以提高求解精度.
為方便比較孔邊及銷軸徑向及切向應力分布結(jié)果,將結(jié)果坐標系轉(zhuǎn)為柱坐標系,x,y,z 3個方向分別表示孔的徑向,環(huán)向及孔軸向.
2.1.1 載荷步一的結(jié)果分析
載荷步一是用來計算過盈配合產(chǎn)生的預應力,銷釘與板孔會互相擠壓,在接觸面產(chǎn)生壓應力,限于篇幅,筆者只展示層合板和銷釘?shù)膹较驊?圖4、圖5分別給出層合板和銷釘?shù)膹较驊Ψ植紙D,由圖中結(jié)果可以看出,層合板整體的孔徑向方向應力均是小于0的,銷軸與孔接觸外表面區(qū)域的徑向應力也均是小于0的,即板孔與銷軸接觸區(qū)域產(chǎn)生了壓應力,這是符合現(xiàn)實情況的,表明了結(jié)果的正確性.層板與銷軸徑向應力呈現(xiàn)對稱分布趨勢,孔周及銷釘外圈一周的徑向應力并不相等,最大壓應力均對稱出現(xiàn)在孔邊及銷軸側(cè)表面,這是由于層合板材料的各向異性性質(zhì)造成的.
2.1.2 載荷步二的結(jié)果分析
載荷步二是在載荷步一預應力計算結(jié)果的基礎(chǔ)上再施加位移載荷Uz=12.5 mm進行的計算.圖6,7,8給出了銷釘從板中恰好完全拔出時板及銷軸上x,y,z 3個方向上的應力分布,分別代表孔徑向、切向及孔軸向應力分布結(jié)果.為更好地展示模型中各個關(guān)鍵部位的應力分布,將應力圖均分4個角度進行展示.由圖6看出x方向應力集中在板孔邊緣呈現(xiàn)對稱分布,最大應力出現(xiàn)在板孔0°及180°方向,計算出的最大值為5.544 MPa,為拉應力,這是因為銷軸拔出壓應力解除,同時又受銷軸拉拔過程的牽拉所致.銷軸及遠離孔邊的地方徑向應力值均較小.圖7給出的是整個模型的y方向應力分布情況,可看出應力也集中在板孔邊緣,且呈對稱分布,最大環(huán)向應力對稱出現(xiàn)在孔邊四角,最大值為0.474 MPa,為拉應力.圖8是z向應力圖即銷軸軸向,層合板的軸向最大應力同樣出現(xiàn)在孔邊為0.222 MPa,但此方向最大應力出現(xiàn)在銷軸的外表面處,值為0.382 MPa,為拉應力,這是因為銷軸與板孔是過盈配合,拔出過程一直受到拉伸作用所致.
為清楚展示銷軸上應力分布,圖9給出了拉出時單獨銷軸件的米賽斯應力分布圖,可看出應力集中分布在軸身表面附近區(qū)域,即從板孔中拉出時與板孔的接觸區(qū).由以上結(jié)果可以看出,應力一般集中在自由邊和孔邊附件,也就是集中在銷釘和孔附近.
以底面板孔的應力集中為例,圖10提取出了板孔底面孔邊一周應力數(shù)據(jù),展示了孔周徑向、環(huán)向及孔中心軸向應力的應力分布值,可見均是關(guān)于180°對稱分布的,徑向及環(huán)向沿孔周變化幅度較大,徑向應力峰值位于0°及180°附近,環(huán)向則在75°及275°附近,這與上面應力云圖顯示是相對應的,軸向應力數(shù)值較小,波動幅度也很平緩.
為精確計算孔邊應力分布,筆者模型己經(jīng)特別對孔邊和自由邊附件的區(qū)域進行了網(wǎng)格細化,且采用較小載荷步和非線性有限元方法進行求解,但這也并非完善.對于數(shù)值計算造成的誤差,主要還有如下幾個方面需要考慮.
(1)計算模型與真實構(gòu)件的差異:任何計算模型總要對真實構(gòu)件進行種種簡化,這種簡化是否合適,對計算精度有相當?shù)挠绊?
(2)計算模型的約束條件與實際情況總有某些差異,這就會造成一定的誤差.
(3)考慮到計算量不能太大,因此網(wǎng)格的劃分也不可能太密,這對計算結(jié)果,尤其是銷釘位置的結(jié)果會引進一定的誤差.
(4)在數(shù)值計算中關(guān)于摩擦系數(shù)的考慮,文中考慮的情況并未周全,且真實的摩擦系數(shù)很難確定.
(5)數(shù)值計算是按照彈性問題來計算銷釘與板的接觸應力的,但實際上銷釘或板的應力肯定會超過彈性范圍.
(1)基于有限元數(shù)值求解方法,對均質(zhì)各項異性材料銷釘連接結(jié)構(gòu)進行了應力分析.考慮銷釘與連接件過盈配合產(chǎn)生的預應力及連接接觸非線性,分兩個載荷步加載計算,精確求解了拆裝時銷釘拔出過程中的銷釘與連接件的應力分布.
(2)計算結(jié)果表明,銷釘從板中恰好拔出時,應力集中在銷釘和孔邊附近,且應力呈現(xiàn)對稱分布趨勢;其中孔徑向和環(huán)向方面應力值變化幅度較大,最大應力出現(xiàn)在連接板孔邊上,孔中心軸向方向應力值變化幅度較小,最大應力在銷軸上,為預測易損傷處提供了參考依據(jù).應力計算結(jié)果為進行各向異性連接件的失效損傷分析奠定了基礎(chǔ),可在以后的工作中作進一步研究,以得到方便于工程應用如拆裝銷釘是否造成連接板損傷的定量判定.
(3)計算模型雖考慮了連接接觸非線性,但忽略了摩擦情況,且模型對工程實際做了簡化,計算模型還有待進一步完善.
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