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    基于ANSYS軟件的礦用車輪輞和壓塊接觸行為研究

    2018-03-26 04:46:26董志明楊芙蓉潘艷君李顯武丁浩然
    中國(guó)礦業(yè) 2018年3期
    關(guān)鍵詞:壓塊錐面輪輞

    董志明,楊芙蓉,潘艷君,李顯武,丁浩然

    (1.內(nèi)蒙古北方重型汽車股份有限公司技術(shù)中心,內(nèi)蒙古 包頭 014030;2.內(nèi)蒙古包頭北方安全防護(hù)裝備制造有限公司技術(shù)部,內(nèi)蒙古 包頭 014030)

    礦用車主要應(yīng)用于露天礦山的物料運(yùn)輸,載重量最大可以達(dá)到400 t,另外礦山的路面惡劣,車輛需頻繁的經(jīng)歷爬坡和制動(dòng)工況,車輛的驅(qū)動(dòng)力矩和制動(dòng)力矩很大。礦用車后輪力矩的傳遞路徑是從地面、輪胎、輪輞、輪轂再到車輛的傳動(dòng)系統(tǒng),輪輞和輪轂間的力矩傳遞是通過安裝在輪轂上的壓塊,并通過壓塊的外錐面和輪輞內(nèi)錐面的過盈配合產(chǎn)生的摩擦力來實(shí)現(xiàn)。

    目前,關(guān)于礦用車輪輞壓塊和輪輞的研究主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面:一是研究壓塊和輪輞的強(qiáng)度;二是研究輪輞和胎圈的接觸行為及傳力特性。一些研究主要對(duì)輪輞的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、有限元建模、疲勞壽命以及輪輞壓塊斷裂進(jìn)行了分析研究[1-5];一些研究對(duì)輪輞與輪胎胎圈的配合、接觸行為、有限元模型建立進(jìn)行研究[6-10]。針對(duì)輪輞壓塊和輪輞之間的接觸行為和摩擦特性研究很少,壓塊和輪輞的安裝結(jié)構(gòu)不合理將不能有效地傳遞路面與車輛之間的驅(qū)動(dòng)力矩和制動(dòng)力矩,特別是當(dāng)車輛在行駛過程中由于摩擦力不足,導(dǎo)致車輛不能實(shí)施制動(dòng),這是非常危險(xiǎn)的。本文在參考上述文獻(xiàn)關(guān)于有限元建模方法、接觸理論的基礎(chǔ)上,以某型號(hào)電傳動(dòng)礦用自卸車為研究對(duì)象,對(duì)壓塊和輪輞間的接觸行為、傳力特性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進(jìn)行研究,用來指導(dǎo)輪輞安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),提高礦用車在使用過程中的安全性和可靠性。

    1 輪輞安裝及受力分析

    礦用車的驅(qū)動(dòng)形式以4×2,后輪驅(qū)動(dòng)為主。根據(jù)整車的結(jié)構(gòu)形式,后輪傳遞整車的全部驅(qū)動(dòng)力和大部分的制動(dòng)力。后輪為雙胎安裝結(jié)構(gòu),內(nèi)側(cè)輪輞的內(nèi)錐面與輪轂的外錐面配合;內(nèi)側(cè)輪輞和外側(cè)輪輞之間有一個(gè)圓筒形隔圈,用來在軸向位置支撐內(nèi)、外側(cè)輪輞;外側(cè)輪輞的內(nèi)端面與隔圈相接觸,輪輞的內(nèi)錐面與壓塊的外錐面相配合,壓塊用螺栓固定在輪轂上。

    圖1是壓塊和輪輞接觸部分的詳圖,壓塊的外錐面和輪輞內(nèi)錐面通過螺栓的預(yù)緊力產(chǎn)生過盈配合。壓塊沿圓周均布12個(gè),每個(gè)壓塊通過2個(gè)螺栓安裝在輪轂上,隨著螺栓預(yù)緊力的增加,壓塊與輪輞錐面之間產(chǎn)生正壓力和摩擦力,用來傳遞制動(dòng)力矩和驅(qū)動(dòng)力矩。根據(jù)國(guó)家和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),輪輞的內(nèi)錐角設(shè)計(jì)為28°。

    圖1 壓塊與輪輞安裝

    根據(jù)實(shí)際觀察,壓塊與輪輞錐面配合從初始接觸到螺栓預(yù)緊完畢,壓塊的軸向位移大約有3 mm;另外,拆下壓塊以后,發(fā)現(xiàn)接觸面有不同程度的塑性變形。壓塊的安裝過程涉及到幾何非線性和材料非線性,壓塊與輪輞的錐面配合屬于面-面接觸非線性,非線性的計(jì)算求解很難用解析法計(jì)算,所以采用ANSYS有限元軟件仿真壓塊的安裝過程,研究接觸面上的正壓力分布和摩擦力分布。

    2 輪輞及壓塊的有限元建模

    2.1 模型簡(jiǎn)化

    本文的主要目的是研究壓塊和輪輞間的接觸狀態(tài),為了縮減計(jì)算規(guī)模,對(duì)模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。壓塊沿圓周均布安裝12個(gè),所以取圓周的1/12進(jìn)行建模;輪轂的主要作用是安裝壓塊和螺栓,對(duì)壓塊和輪輞間的接觸狀態(tài)影響不大,因此,用一個(gè)簡(jiǎn)單的圓柱體代替;忽略了輪輞擋圈、鎖圈、座圈等特征,只對(duì)輪輞基座進(jìn)行三維建模。簡(jiǎn)化后的模型見圖2。

    2.2 網(wǎng)格劃分

    單元類型的選取、網(wǎng)格密度、網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)于有限元分析的結(jié)果精度和速度有著重要影響[11]。由圖3可以發(fā)現(xiàn),各零件形狀比較復(fù)雜,只能用實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,實(shí)體單元更能反應(yīng)模型的真實(shí)應(yīng)力尤其是細(xì)節(jié)特征的力場(chǎng)分布。

    網(wǎng)格劃分的基本原則是盡量采用六面體單元,盡量不采用或少采用四面體單元,壓塊安裝存在多個(gè)零件間的接觸現(xiàn)象,所以還需要采用接觸單元。另外本文的主要目的是研究壓塊和輪輞接觸錐面之間的應(yīng)力狀態(tài),對(duì)其他一些細(xì)節(jié)特征不太關(guān)注,因此采用了PATCH INDEPEND劃分方法。圖4是各種單元所占的比例,可以發(fā)現(xiàn)六面體單元(SOLID186)占大部分比例,尤其是在接觸界面上全部是六面體單元;四面體單元占的比例很小,而且分布在零件內(nèi)部,不會(huì)對(duì)接觸表面有影響。SOLID186單元是三維20節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元,它采用二次位移插值函數(shù)對(duì)不規(guī)則形狀具有較好的精度,可很好地適應(yīng)曲線邊界。

    圖2 輪輞安裝三維模型

    圖3 網(wǎng)格劃分

    圖4 接觸單元

    壓塊和輪輞的接觸錐面采用了密度較高的接觸單元(CONTA174)和目標(biāo)單元(TARGE170),更能準(zhǔn)確的反應(yīng)接觸狀態(tài)。CONTA174單元是三維8節(jié)點(diǎn)面面接觸單元,用于描述三維目標(biāo)面和該單元所定義的變形面之間的接觸和滑移狀態(tài),它與其下覆的SOLID186單元具有相同的幾何特性,該單元支持庫(kù)侖和剪應(yīng)力摩擦。TARGE170是三維目標(biāo)單元,用于描述與接觸單元相關(guān)的各種三維目標(biāo)面。

    2.3 接觸設(shè)置

    接觸是一種高度非線性行為,其分析存在兩個(gè)難點(diǎn):一是在求解問題之前,接觸區(qū)域往往是未知的,而且在求解過程中隨著載荷和邊界條件等因素的變化,接觸區(qū)域也可能發(fā)生變化;另外就是大部分的接觸問題需要考慮摩擦作用,壓塊和輪輞的錐面接觸就必須考慮摩擦的作用,關(guān)于摩擦定律和模型有多中,并且摩擦效應(yīng)可能是無序的,這就使問題的收斂性成為一個(gè)難點(diǎn)[12]。為了保證收斂速度,針對(duì)接觸剛度、接觸算法、接觸行為的選擇與設(shè)置進(jìn)行詳細(xì)研究。

    2.3.1 接觸剛度

    接觸剛度的設(shè)置很重要,它類似于在接觸面和目標(biāo)面增加的一個(gè)彈簧,保證求解過程收斂(圖5)。接觸剛度太小,求解過程中接觸面會(huì)穿透目標(biāo)面,這與實(shí)際的物理現(xiàn)象是不一致的,會(huì)導(dǎo)致大的計(jì)算誤差,但較小的侵入量能保證求解過程的收斂性,也能滿足工程上的應(yīng)用。接觸剛度設(shè)置太大,可能會(huì)引起總剛度矩陣的病態(tài),在求解迭代過程中會(huì)使接觸面產(chǎn)生“振動(dòng)”,收斂性較差。在ANSYS軟件中,接觸剛度的取值范圍在0.01~10之間,以體積為主的問題接觸剛度設(shè)置為1,以彎曲為主的問題,接觸剛度設(shè)置為0.01~0.1。

    為了確定正確的接觸剛度,可以采用以下方法進(jìn)行試算:先取一個(gè)較小的剛度值進(jìn)行試算;對(duì)前幾個(gè)子步進(jìn)行計(jì)算分析,直到最終載荷的一個(gè)比例(剛好完全建立接觸);檢查每一子步中的侵入量和平衡迭代次數(shù),如果收斂困難是由于過大的侵入引起的,那么說明接觸剛度設(shè)置小了,如果收斂困難是由于不平衡力和位移增量達(dá)到到收斂值時(shí)需要過多的迭代次數(shù),那么接觸剛度值設(shè)置偏大,根據(jù)以上結(jié)果重新調(diào)整接觸剛度進(jìn)行試算。為研究接觸剛度對(duì)求解速度、求解精度、收斂性的影響,在其他條件相同的情況下,采用不同的剛度系數(shù)值對(duì)模型進(jìn)行對(duì)比分析。表1的數(shù)據(jù)是壓塊與輪輞接觸界面在不同接觸剛度值下的計(jì)算結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)迭代次數(shù)和計(jì)算時(shí)間與接觸剛度值呈正向關(guān)系,最大變形量和侵入量與接觸剛度值呈負(fù)向關(guān)系。

    根據(jù)表1的數(shù)據(jù),接觸剛度為0.1、0.5、1的情況下最大變形量趨于一致,誤差很小,所以綜合考慮求解速度和求解精度的因素下,確定接觸剛度的值為0.1,而且接觸剛度為0.1時(shí),侵入量很小。壓塊與輪輞之間有摩擦接觸,存在切向剛度,其值由軟件自動(dòng)計(jì)算,不能進(jìn)行修改。

    圖5 接觸剛度

    接觸算法接觸剛度最大變形/mm侵入量/mm迭代次數(shù)計(jì)算時(shí)間/sAL001278027771621AL01217007981653AL052010029122409AL11980018132643P11980018132651

    注:AL指Augmented Lagrange算法;P指penalty算法。

    2.3.2 接觸算法

    接觸分析中除了要保證接觸對(duì)各自內(nèi)部的協(xié)調(diào)變形外,還要保證在接觸界面上的變形協(xié)調(diào),接觸算法就是為了解決接觸界面的幾何和力學(xué)關(guān)系協(xié)調(diào)。關(guān)于摩擦接觸ANSYS軟件提供了4種算法,分別Augmented Lagrange、Penalty、MPC、Normal Lagrange。Augmented Lagrange和Penalty算法采用在接觸面增加接觸剛度的形式來進(jìn)行求解[13-14],稱為罰函數(shù)法,對(duì)于摩擦或無摩擦的接觸行為非常合適。Augmented Lagrange算法的接觸公式,見式(1);Penalty算法的接觸公式,見式(2)。

    發(fā)動(dòng)機(jī)在無起停情況下,優(yōu)化前與優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)耗油量如圖4所示;發(fā)動(dòng)機(jī)在有起停情況下,優(yōu)化前與優(yōu)化后的發(fā)動(dòng)機(jī)耗油量如圖5所示.

    Fn=knxp+λ

    (1)

    Fn=knxp

    (2)

    式中:Fn為法向接觸力;kn為法向接觸剛度;xp為法向侵入量;λ為穩(wěn)定參數(shù)。

    Augmented Lagrange算法將拉格朗日乘子法和罰函數(shù)法結(jié)合起來,并滿足接觸協(xié)調(diào),該方法在計(jì)算過程中不斷根據(jù)法向侵入量與侵入容差的比較修正參數(shù)λ,因?yàn)樾录拥膮?shù)λ使其對(duì)接觸剛度的大小不敏感。表2是分別采用Augmented Lagrange算法和Penalty算法對(duì)壓塊與輪輞接觸界面的計(jì)算??梢妰煞N算法的結(jié)果差別不大,本文采用Augmented Lagrange算法。

    表2 接觸算法影響

    2.3.3 接觸行為

    接觸分為對(duì)稱接觸和不對(duì)稱接觸。不對(duì)稱接觸是指所有的接觸單元在一個(gè)面上,而所有的目標(biāo)單元在另一個(gè)面上。不對(duì)稱接在模擬面-面接觸時(shí)最為有效,壓塊和輪輞的錐面接觸就屬于典型的面-面接觸。對(duì)稱接觸的實(shí)質(zhì)是定義了兩組接觸對(duì),一個(gè)面既是接觸面又是目標(biāo)面。顯然對(duì)稱接觸的效率不如不對(duì)稱接觸高,因?yàn)閷?duì)稱接觸算法比非對(duì)稱接觸算法在更多的面上施加了接觸約束條件[15-16]。

    因?yàn)檩嗇y的結(jié)構(gòu)、幾何尺寸等參數(shù)是依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的,輪輞壓塊的結(jié)構(gòu)和幾何尺寸可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。所以在分析時(shí)將壓塊的外錐面設(shè)置為接觸面,輪輞的內(nèi)錐面設(shè)置為目標(biāo)面,這樣分析結(jié)果主要是關(guān)于壓塊(接觸面)上的數(shù)據(jù)。

    3 不同結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果對(duì)比分析

    3.1 求解過程設(shè)置

    求解過程中約束輪轂的全部自由度,以及約束輪輞右端面的軸向自由度。載荷分為兩個(gè)子步,第一個(gè)子步緩慢加載螺栓的預(yù)緊力到規(guī)定載荷,觀察壓塊的安裝過程;第二個(gè)子步將固定螺栓預(yù)緊載荷,研究整體的應(yīng)力分布、變形分布、以及接觸狀態(tài)。

    壓塊和輪輞材料的屈服強(qiáng)度是345 MPa,塑性變形階段的材料模型采用雙線性等向強(qiáng)化模型。安裝螺栓的規(guī)格是強(qiáng)度為10.9級(jí)的M24-3.00,每個(gè)螺栓可以達(dá)到的最大預(yù)緊力是219 434 N。

    3.2 分析結(jié)果

    隨著螺栓預(yù)緊力的逐漸增加,壓塊向輪輞內(nèi)錐面方向軸向運(yùn)動(dòng)了3.1 mm,這個(gè)分析結(jié)果與裝配時(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值基本相符,佐證了有限元模型及分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,最終輪輞內(nèi)錐面對(duì)壓塊外錐面的作用力與螺栓預(yù)緊力平衡,保持穩(wěn)定。圖6(a)是壓塊和輪輞錐面配合的接觸狀態(tài),圖中顏色從左至右由深到淺,接觸狀態(tài)從黏著、相對(duì)滑動(dòng)、分離逐漸過度,可以發(fā)現(xiàn)在接觸界面大約有1/3的面積壓塊和輪輞是黏合在一起的,其余部分屬于接近或分離狀態(tài);圖6(b)是壓塊沿輪輞徑向的變形量,表示了壓塊在輪輞徑向的位移量,同時(shí)可以間接反應(yīng)出壓塊前端的旋轉(zhuǎn)趨勢(shì);圖6(c)是接觸界面的摩擦應(yīng)力分布,表示接觸界面之間的切向應(yīng)力分布趨勢(shì);圖6(d)是接觸界面的壓應(yīng)力分布,表示接觸界面之間的法向應(yīng)力分布趨勢(shì)。從圖6(c)和圖6(d)可以發(fā)現(xiàn)在接觸界面上壓應(yīng)力值和摩擦應(yīng)力值較高的位置同樣發(fā)生在上述1/3面積的位置上,其余位置的應(yīng)力基本為0。

    圖6 接觸分析結(jié)果

    分析結(jié)果并不是理想中的壓塊外錐面和輪輞的內(nèi)錐面全部配合或者是大部分配合,真正發(fā)生接觸的面積很小,使得總摩擦力縮小。另外,由于真正發(fā)生接觸的面積小,在與全部接觸相比較獲得同樣總摩擦力的情況下,需要更大的螺栓預(yù)緊力,而且根據(jù)分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)輪輞局部發(fā)生了塑性變形,在長(zhǎng)時(shí)間的作用下,會(huì)造成永久的塑性變形,在輪輞內(nèi)錐面上產(chǎn)生大的壓痕,在隨后的壓塊拆卸及安裝過程中,并不能保證壓塊還能安裝到上次的壓痕中,使得壓塊與輪輞真正發(fā)生接觸和面積更小,這是一個(gè)惡性循環(huán),嚴(yán)重影響驅(qū)動(dòng)力矩和制動(dòng)力矩的傳遞,這對(duì)于整車在坡道上作業(yè)是非常危險(xiǎn)的。

    圖6(b)是壓塊沿輪輞徑向的變形量,可以發(fā)現(xiàn)壓塊的前端變形量達(dá)到了1.7 mm,而且前端繞螺栓頭部有0.41°的轉(zhuǎn)角。正是因?yàn)檫@個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)量使得只有壓塊外錐面的部分位置與輪輞內(nèi)錐面發(fā)生真正的接觸。

    為了增加壓塊和輪輞接觸界面實(shí)際面積,對(duì)壓塊提出了兩種改進(jìn)方案,一種是將壓塊的錐角由28°改為27°,使得壓塊前端在受力偏轉(zhuǎn)后接近輪輞內(nèi)錐面的28°角(圖7(a));另外通過圖6(b)可以間接測(cè)量出壓塊前端繞螺栓頭部有0.41°的轉(zhuǎn)角,如果在壓塊上設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋(圖7(b)中橢圓形區(qū)域部分),可以提高壓塊的整體剛性,將其列為第二種改進(jìn)方案。對(duì)這兩種方案以同樣的邊界條件和載荷進(jìn)行分析,并與原方案進(jìn)行對(duì)比。

    3.3 改進(jìn)方案對(duì)比

    3.3.1 方案a分析結(jié)果

    圖8是方案a的分析結(jié)果,從摩擦應(yīng)力和壓力分布云圖可以發(fā)現(xiàn),接觸面積相對(duì)原結(jié)構(gòu)明顯增加,并且最大摩擦應(yīng)力和接觸壓力較原結(jié)構(gòu)以比較平均的方式分布在壓塊上,減少了原結(jié)構(gòu)中壓塊局部位置應(yīng)力較高的問題。從徑向變形圖可以發(fā)現(xiàn),壓塊的前端變形量達(dá)到了2.2 mm,大于原結(jié)構(gòu)的1.7 mm,這是由于錐角的變化引起的。

    3.3.2 方案b分析結(jié)果

    圖9是方案b的分析結(jié)果,與原結(jié)構(gòu)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn),兩者差別很小,說明加強(qiáng)筋作用不明顯。

    圖7 改進(jìn)方案

    圖8 方案a接觸分析結(jié)果

    圖9 方案b接觸分析結(jié)果

    4 結(jié) 論

    接觸剛度對(duì)求解速度和求解結(jié)果影響較大,在分析時(shí)必須先進(jìn)行試算或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理取值。

    壓塊在安裝過程中,隨著螺栓預(yù)緊力的增加,壓塊的前端與輪輞接觸后即發(fā)生偏轉(zhuǎn),造成最終只有錐面后部的局部位置與輪輞內(nèi)錐面有接觸,使得接觸應(yīng)力和摩擦應(yīng)力較大,并且已經(jīng)達(dá)到了材料的塑性變形階段。在設(shè)計(jì)時(shí),將壓塊的錐角進(jìn)行適當(dāng)改變,可以有效增加實(shí)際接觸面積,較為平均地分布摩擦應(yīng)力和接觸應(yīng)力,使之保持在材料的彈性范圍之內(nèi)。

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