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基于ANSYS的冷剪切机偏心轴有限元分析

发布于:2019-09-17 20:08
有限元分析

      由国内引进图纸制造的850MN冷剪切机,其结构形式为平行刀片式,剪切机构主要由偏心轴、连杆、刀台等零件组成。剪切产品规格为圆棒,剪切钢种为合金钢。包括GCr15轴承钢、不锈钢、弹簧钢、合金结构钢等。其中,GCr15轴承钢最具抗剪能力。本文针对小50mm规格GCr15轴承钢的剪切,有限元分析校核最大剪切力下剪切机偏心轴的力能状态。
      轧件在剪切过程中,可分为两个阶段:压入和滑移阶段,剪切过程由压入阶段过渡到滑移阶段时剪刃对轧件的压力尸即为剪切该轧件的剪切力。已知剪切力850MN,轧件为50mm规格GCr15轴承钢,据此可求偏心轴上的静力矩。剪切机偏心轴上的静力矩由剪切力矩、摩擦力矩和空载力矩组成。
      由于偏心轴中间偏心部分短而粗,受载后变形较小,故可将作用在偏心轴上的连杆力看作均布载荷。根据对某些大型的偏心轴轴颈接触应力的有限元计算结果,可认为支点距离轴承的实际支撑内侧约为轴颈直径的1/10。同时,由于传动齿轮对偏心轴的作用力远远小于连杆力,可以忽略不计。偏心轴计算简图如图所示。A-A断面受弯-扭联合作用,但由于弯矩比扭矩大得一多,故可忽略扭矩。由于偏心轴断面复杂,倒角甚多,为保证分析结果的准确性,在三维建模App中严格按照图纸尺寸建立偏心轴三维模型,不作简化。再将其导入ANSYS有限元App中,建立有限元模型。划分网格时,采用手动控制,对倒角、尖角等易造成应力集中处进行网格细化处理。施加约束时,在连杆和偏心部分接触处施加周向约束。理论校核时,载荷简化为集中力,在ANSYS中则施加余弦力,在轴颈处施加径向约束,在近齿轮的偏心轴端面施加轴向约束。将扭矩计算好后以周向力的形式施加在偏心轴与齿轮接触面的节点上。具体方式如图所示,偏心轴Von Mises应力图及Y向(重力方向)应变图如图所示。   
      偏心轴最大Mises等效应力值为182MPa,小于40CrNiMn。许用应力值,因此,偏心轴强度满足使用要求。最大等效应力位于偏心轴与连杆接触部分阶梯处,并非理论计算所得到的危险截面处,这是因为理论计算时做了很多假设,例如,将剪切力简化为线上的均布载荷,实际受力情况则是加载在偏心轴和连杆接触面上的余弦力。同时,计算时也未考虑过渡圆角处的应力集中。图显示,偏心轴Y向(竖直方向)变形较小,最大不超过0.05 mm;同时,变形在水平方向呈对称分布。
      理论计算得到132MPa,偏心轴所受弯矩的危险截面在偏心轴偏心部分正中间,但是,经过ANSYS有限元分析,得出实际最大应力位于偏心轴与连杆接触部分阶梯处,最大应力182MPa。由此可知,通过理论计算得到的危险截面不是应力最大处,原因是在理论分析时做了很多假设,且未考虑阶梯倒角处的应力集中。对于复杂零件的校核,理论计算无法精确、全面地得出结论,而有限元App则可做到,并且只要加载、约束等合适,结果是可信的。


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