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單耳無障礙卡箍的有限元分析
卡箍是車輛管道連接的重要連接因素之一,廣泛應(yīng)用于傳動系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和氣生系統(tǒng)。作為一個整體,你的角色不容忽視。一旦連接壓板的密封出現(xiàn)問題,它將影響整個系統(tǒng)的工作,并帶來無法想象的安全事故。在這項工作中,這項工作使用了外部公司的單耳腔環(huán)卡裝置。該卡箍具有360無密封結(jié)構(gòu)、可靠的持續(xù)和可靠的鎖定功能以及操作簡單的優(yōu)點。在這項工作中,使用有限的方法模擬了卡箍的變形過程,該方法可以應(yīng)用于同類產(chǎn)品的分析。1計算模型的構(gòu)建1.1模型的簡化與導(dǎo)入由于卡箍結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,故先在Pro/E里面建立三維模型.整個卡箍的變形過程存在高度的非線性,為了提高計算的收斂性,在保證結(jié)果準確的前提下多模型進行了簡化,并以*.iges格式導(dǎo)入ANSYS,結(jié)果如圖1所示.1.2載荷增量的影響ANSYS程序應(yīng)用牛頓-拉普森法求解非線性問題,該法將載荷分成一系列的載荷增量來進行求解,如果在某個載荷增量內(nèi)不收斂,程序則嘗試用一個較小的載荷增量來繼續(xù)計算.另外可通過激活如線性搜索、自動步長、二分等選項來增強收斂性.1.2.1基于雙線性模型的anasas分析塑性變形是典型的非線性問題,在塑性變形的同時往往還伴隨著大位移、大應(yīng)變的問題.卡箍的材料為鎳鉻合金鋼,故采用雙線性各項同性強化模型,且該模型適用于大變形.在進行ANSYS分析中用激活大變形開關(guān).1.2.2柔性接觸對接觸問題是一種高度的非線性行為,存在以下難點:第一,接觸區(qū)域的未知性,或是可變化的.第二,大多數(shù)的接觸需要考慮摩擦,而摩擦模型都是非線性的,導(dǎo)致問題更加復(fù)雜,難以收斂.考慮到幾何模型的實際情況,采用柔體—柔體的面—面接觸單元來模擬接觸行為,選用conta174與target170單元創(chuàng)建接觸對,同時為了減小cpu計算時間,應(yīng)該盡量地細化接觸對.另外,接觸剛度和接觸容限的設(shè)置對于問題的收斂性能至關(guān)重要,過大的接觸剛度將導(dǎo)致難以收斂,而太小的接觸剛度則會出現(xiàn)難以接受的穿透問題,須經(jīng)過多次嘗試,取一個合適中間值.1.3橡膠管、卡鉗口的幾何模型為了能夠得到夾緊后橡膠管與金屬管接觸面的應(yīng)力分布,同時能更加準確地模擬卡箍夾緊的過程、方便載荷的施加,須在ANSYS中同時建立橡膠管、卡鉗口的幾何模型.1.3.1單元劃分及接觸對設(shè)置卡箍的彈性模量E=1.94×1011,屈服極限205MPa,抗拉強度520MPa,泊松比0.3.橡膠管彈性模量取7.8×106,泊松比0.47.卡鉗口和硬管的材料屬性相同,其彈性模量為2×1011,泊松比0.3.卡箍材料還需設(shè)置其塑性變形的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系,文中采用雙線性等向強化模型,硬化系數(shù)取為1×109.全部采用solid92體單元劃分四面體網(wǎng)格,該單元具有塑性變形、大變形能力、大應(yīng)變能力,滿足計算要求.四面體單元相較六面體單元,雖然精度不高,但對于卡箍這種復(fù)雜模型,用四面體單元具有較好的收斂性能.卡箍與卡鉗口的形狀比較復(fù)雜,且多處存在應(yīng)力集中問題,可自動生成四面體單元,并在局部進行修改和細化.最終結(jié)果如圖2.單元劃分完成后,對于可能發(fā)生接觸的位置(包括已經(jīng)接觸的位置)設(shè)置接觸對,并可以通過9個實常數(shù)來控制每個接觸對的接觸行為.本模型中可能接觸的位置較多,如:卡鉗與卡箍、卡箍自身的滑動接觸、卡箍與軟管、軟管與硬管等,應(yīng)盡可能地細化接觸區(qū)域,設(shè)置盡量準確的接觸對,以提高計算速度.夾緊過程卡鉗對卡箍施加的加緊力約為1200~1800N不等,本文研究載荷為1700N.1.3.2稀疏矩陣直接求解由于卡箍載荷的施加位置并不明確,不能固定于節(jié)點、線、面等,其載荷的位置是隨著變形不斷變化的,故考慮卡箍的約束和載荷全部通過接觸來實現(xiàn),如:卡箍與軟管接觸構(gòu)成約束,卡鉗口與卡箍的接觸可對卡箍施加一對稱載荷.同時為了保證變形過程中所有構(gòu)件不發(fā)生剛性位移,還需對硬管限制部分自由度.求解共分為兩個載荷步,第一載荷步:卡鉗口向中間移動,使卡箍發(fā)生塑性變形.第二載荷步:撤銷卡鉗,使卡箍發(fā)生回彈.兩個載荷步求解選項的設(shè)置如下:1)打開大變形開關(guān).(GEOM,ON)2)打開自動時間步長(AUTOTS,ON),將默認時間步長設(shè)為200,最大時間步長設(shè)為2000000,最小時間步長為100.3)設(shè)置記錄所有子步的所有結(jié)果項,便于后處理時觀察變形過程.4)將求解器設(shè)為稀疏矩陣直接解法.稀疏矩陣直接求解法是建立在與迭代法相對應(yīng)的直接消元法基礎(chǔ)上的.通過間接的方法(也就是通過迭代法)獲得方程的解.既然這種方法是以直接消元為基礎(chǔ)的,不良矩陣不會構(gòu)成求解困難,收斂性能較好.5)在求解選項的非線性面板中打開線性搜索功能,其他選項默認即可.2接觸剛度測試ANSYS軟件共將第一載荷步分為134個子步,將第二載荷步分為54個子步求解.求解過程中曾多次出現(xiàn)收斂困難的情況,可通過調(diào)整接觸剛度等參數(shù)來測試.有時在結(jié)構(gòu)剛度出現(xiàn)較大變化時(進入塑性階段、發(fā)生接觸等)會出現(xiàn)時間步長很短的情況,這是正常的.2.1化載荷子步當卡鉗上的夾緊力F趨于1700N,此時較小的位移改變量將導(dǎo)致很大的夾緊力變化,在此處也較難收斂,須細化載荷子步.如圖3所示,當卡鉗作用力F為1700N時(正常工作狀態(tài)),卡箍整體多處出現(xiàn)塑性變形,最大應(yīng)力位于卡箍耳朵與卡鉗接觸的邊緣位置,大小為424.5MPa,小于該合金的強度極限520MPa.當卡鉗夾緊力達到1700N后,再將該載荷卸掉,如圖4所示,卡箍整體進行回彈,整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均有所降低.2.2卡再平衡中的收縮力圖5為1700N的卡鉗作用力下,硬管表面壓力.圖中采用柱坐標系顯示X方向的應(yīng)力(即硬管表面壓力),從圖中可以看出,卡箍投影處的壓力均在3MPa以上,且分布比較均勻,卡箍耳朵所對應(yīng)的位置出現(xiàn)最大壓力,約為6.9MPa.該壓力作用下軟管和硬管均不會破壞.圖6為撤掉卡鉗作用力后硬管的表面壓力,從圖中可看出,卡箍所產(chǎn)生的收緊力最小為1Mpa,大部分位于2~3MPa左右,最大值依然出現(xiàn)在卡箍耳朵所對的位置.該收緊力滿足卡箍的使用需求.3在非織造材料中的應(yīng)用1)單耳內(nèi)襯環(huán)卡箍所產(chǎn)生的夾緊力滿足實際需要,應(yīng)力分布均勻,具有360°可靠密封的特點.2)該卡箍具有足夠的強度,雖然打孔連接的位置在夾緊力較大時出現(xiàn)塑性變形,但離其抗拉強度極限還有一定距離
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