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碟簧的有限元分析流程

發(fā)布于:2024-03-17 14:54
有限元分析

      在不考慮摩擦時(shí),采用圖所示的模型,數值分析如下。模型尺寸:外徑Do=53.92mm,內徑Di=30.81mm,自由高度h=0.67mm,厚度t=4.88mm。E=2.06×e5MPa,μ=0.3,材料為17-7PH,只考慮彈性變形。
      對于本文碟簧,本文將有限元分析計算結果與傳統的A-L公式計算結果進(jìn)行比較,如圖所示,本文碟簧的載荷-位移曲線(xiàn)基本呈線(xiàn)性關(guān)系,但傳統的A-L法計算曲線(xiàn)要高于本文的模擬曲線(xiàn)。當軸向位移f=h=0.67mm時(shí)(即壓平狀態(tài)),本文模擬值為34470N,A-L法計算值為38485N,高出本文模擬值4015N,約11.6%。當f=75%h時(shí),本文模擬值為26179N,A-L法計算值為28949N,高出本文模擬值2770N,約10.6%。筆者曾經(jīng)進(jìn)行過(guò)模擬:當其它尺寸不變而厚度增加時(shí),A-L法計算值的誤差更高,甚至高達40%。因此,對于本文碟簧,甚至更厚的碟簧,采用A-L公式計算的數值已經(jīng)很不準確,不再適用于本文碟簧的數值計算。
      圖為本文碟簧的Mises應力分布云圖。碟簧的中間層部分應力較小,受力點(diǎn)周(chē)鷳^大。在壓平狀態(tài),四個(gè)角點(diǎn)的應力大小順序為σⅠ>σⅢ>σⅡ>σⅣ。
      在不計摩擦情況下,A-L公式之所以不適用本文碟簧,原因主要是A-L公式的理論假設(剛性環(huán)截面繞中性點(diǎn)回轉,忽略徑向應力)不符合本文碟簧這種情況。有文獻指出,當高厚比h/t=1.4時(shí),c<1.80情況下,A-L算法都應該被修正。
      采用的有限元模型如圖所示,計算結果分析如下。當接觸部位存在摩擦時(shí),碟簧的壓縮、回彈曲線(xiàn)不完全重合,如圖所示。結論如下:(1)受摩擦力的影響,加載曲線(xiàn)位于卸載曲線(xiàn)上方;當無(wú)摩擦時(shí),加載曲線(xiàn)與卸載曲線(xiàn)重合,介于摩擦時(shí)的兩條曲線(xiàn)之間。(2)無(wú)論有摩擦還是無(wú)摩擦的情況,碟簧曲線(xiàn)在接近壓平狀態(tài)的90%時(shí)出現陡增現象,這是因為碟簧受力后截面彎曲,使得碟簧上表面靠(jì)染壧幣cA板的作用點(diǎn)由點(diǎn)1(如圖所示)逐漸外移,這在模擬變形云圖中可以得到證實(shí);碟簧下表面靠(jì)染壧幍亩它c(diǎn)2先與B板接觸,這也會(huì )導致碟簧的軸向剛度極大增加,曲線(xiàn)陡然上升。(3)計及摩擦的情況下,曲線(xiàn)接近壓平狀態(tài)的90%時(shí),加載曲線(xiàn)載荷為38.9kN,A-L計算結果為34.7kN,低于本文加載曲線(xiàn)4.2kN,約10.8%;卸載曲線(xiàn)載荷為30kN,A-L計算結果高于本文卸載曲線(xiàn)4.7kN,約15.7%。此時(shí),卸載曲線(xiàn)載荷比加載曲線(xiàn)載荷低8.9kN,載荷降低了22.9%。因此,在設計本文碟簧過(guò)程中很有必要考慮摩擦力的影響。由于摩擦力的存在,螺栓預緊過(guò)程中碟簧的軸向剛度相對大大升高了,使得碟簧不能達到預定的壓縮量。因此,建議以加載曲線(xiàn)的剛度作為設計的基礎。(4)如圖7所示,曲線(xiàn)1為壓縮50%后的回彈曲線(xiàn),曲線(xiàn)2為壓縮75%后的回彈曲線(xiàn),曲線(xiàn)3為壓平狀態(tài)的回彈曲線(xiàn)。這三條曲線(xiàn)表明,從同一起點(diǎn)開(kāi)始壓縮,壓縮曲線(xiàn)重合;對于回彈曲線(xiàn),除了過(guò)渡區域的一段曲線(xiàn)外大部分重合。在過(guò)渡區,由于加載轉變到卸載的過(guò)程中,摩擦力發(fā)生了大小和方向的改變,致使過(guò)渡區產(chǎn)生。
      ANSYS有限元分析軟件能夠準確地模擬碟簧的非線(xiàn)性行為,對正確理解和掌握各種碟簧的非線(xiàn)性行為有很大幫助,并且可用于設計參考。
      法蘭接頭用碟簧不同于國標中的普通碟簧,傳統的A-L方法不適合法蘭接頭用碟簧的設計計算。ANSYS有限元分析軟件能夠有效地模擬這種碟簧的各種受載情況。
      摩擦對法蘭接頭用碟簧的剛度影響很大,設計時(shí)需要充分地考慮摩擦的影響。建議以加載曲線(xiàn)作為設計依據。本文模擬結果有待于大量的實(shí)踐來(lái)驗證。


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