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        基于Midas NFX的某磁電機(jī)沖擊聯(lián)軸器的有限元分析

        2016-09-26 09:21:16朱新宇王威風(fēng)李寶國(guó)
        裝備制造技術(shù) 2016年7期
        關(guān)鍵詞:聯(lián)軸器被動(dòng)扭矩

        朱新宇,王威風(fēng),李寶國(guó)

        (中國(guó)民用航空飛行學(xué)院航空工程學(xué)院,四川 廣漢618307)

        基于Midas NFX的某磁電機(jī)沖擊聯(lián)軸器的有限元分析

        朱新宇,王威風(fēng),李寶國(guó)

        (中國(guó)民用航空飛行學(xué)院航空工程學(xué)院,四川 廣漢618307)

        應(yīng)用有限元法對(duì)某磁電機(jī)沖擊聯(lián)軸器進(jìn)行仿真分析,在CATIA中建立了沖擊聯(lián)軸器的三維實(shí)體模型,利用Midas NFX建立了沖擊聯(lián)軸器的有限元模型,并對(duì)其進(jìn)行了線性靜態(tài)分析,得到了沖擊聯(lián)軸器各組件在工作狀態(tài)下的強(qiáng)度值和變形情況,為后續(xù)的故障分析提供了理論依據(jù)。

        沖擊聯(lián)軸器;Midas NFX;靜態(tài)分析

        現(xiàn)代活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的磁電機(jī)傳動(dòng)軸上通常裝有沖擊聯(lián)軸器。在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí),沖擊聯(lián)軸器可以使磁電機(jī)獲得一個(gè)短暫的加速,進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的電火花,保證電嘴能夠正常點(diǎn)火。在工作情況下,由于內(nèi)部頻繁的碰撞作用,沖擊聯(lián)軸器可能會(huì)出現(xiàn)飛重塊過臟或被磁化、拉力板損壞等故障,如圖1所示。沖擊聯(lián)軸器故障會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能變差、無法啟動(dòng),甚至發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車。因此,對(duì)沖擊聯(lián)軸器的研究顯得十分重要。近年來,隨著計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)的發(fā)展,有限元法在機(jī)械領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,并取得了很好的效果[1]。

        圖1 沖擊聯(lián)軸器部分組件故障圖

        本文以Slick公司生產(chǎn)的4300系列磁電機(jī)沖擊聯(lián)軸器為研究對(duì)象,使用有限元軟件Midas NFX作為分析工具,進(jìn)行線性靜態(tài)分析,得到了該型號(hào)沖擊聯(lián)軸器在工作條件下的應(yīng)力分布與變形情況,為以后分析其故障原因提供了依據(jù)。

        1 沖擊聯(lián)軸器的三維建模

        Slick 4300系列磁電機(jī)沖擊聯(lián)軸器主要由上、下兩部分構(gòu)成。其中,上半部分由主動(dòng)盤、彈簧組成;下半部分由被動(dòng)盤、拉力板、飛重塊、墊片、銷軸組成。附件傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)主動(dòng)盤旋轉(zhuǎn),使彈簧旋緊,從而為被動(dòng)盤提供載荷,被動(dòng)盤在飛重塊的作用下為磁電機(jī)提供加速[2]。

        為了減少計(jì)算量、提高計(jì)算效率,考慮到聯(lián)軸器上半部分在實(shí)際工作中僅為下半部分的運(yùn)動(dòng)提供扭矩這一因素,本文對(duì)總的實(shí)體模型做出了相應(yīng)簡(jiǎn)化,主要對(duì)聯(lián)軸器下半部分進(jìn)行建模。利用三維建模軟件CATIA建立了該部分的實(shí)體模型,如圖2所示。

        圖2 沖擊聯(lián)軸器部分實(shí)體模型

        2 沖擊聯(lián)軸器的有限元模型

        2.1材料的力學(xué)特性

        沖擊聯(lián)軸器的下半部分各個(gè)組件主要由合金鋼材料制成,所用合金鋼的力學(xué)參數(shù)如下:彈性模量E=210 GPa,泊松比μ=0.28,質(zhì)量密度ρ=7 700 kg/m3,屈服強(qiáng)度σs=724 MPa.

        2.2網(wǎng)格的劃分

        在有限元分析時(shí),網(wǎng)格質(zhì)量是極其重要的因素,它直接影響到計(jì)算的穩(wěn)定性、計(jì)算量和計(jì)算的精度。因此,在網(wǎng)格劃分時(shí),要注意以下問題:

        (1)盡量避免采用小單元;

        (2)單元大小要均勻過渡,單元尺寸要依照循序漸變的原則,以免相鄰的單元相差懸殊,造成單元畸形,影響計(jì)算精度[3-4]。

        該沖擊聯(lián)軸器的空間結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,且組件尺寸大小不一,表1列舉了各組件的最小結(jié)構(gòu)尺寸。

        表1 沖擊聯(lián)軸器部分組件最小尺寸表

        網(wǎng)格的數(shù)量直接影響到計(jì)算結(jié)果的精度以及計(jì)算的時(shí)間量,因此網(wǎng)格劃分應(yīng)遵循“均勻應(yīng)力區(qū)粗化,應(yīng)力梯度大的區(qū)域細(xì)化”的原則,對(duì)于具體模型應(yīng)該具體區(qū)別對(duì)待[5]。一般來說,網(wǎng)格劃分得越細(xì),質(zhì)量越高,計(jì)算精度就越高。但是網(wǎng)格劃分得越細(xì),計(jì)算量就越大,其時(shí)間成本等就會(huì)增加[6]。綜合考慮,以墊片尺寸為網(wǎng)格大小,使用Midas NFX軟件自帶的Mesh tool工具,采用四面體四節(jié)點(diǎn)單元作為主要的離散單元,對(duì)沖擊聯(lián)軸器進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分,對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸變化較大、可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位進(jìn)行手動(dòng)網(wǎng)格細(xì)化。離散后的沖擊聯(lián)軸器有限元模型共有節(jié)點(diǎn)數(shù)為572 091,單元數(shù)為383 620,如圖3所示。經(jīng)過測(cè)量,網(wǎng)格的雅可比數(shù)值為0.801,滿足分析要求。

        圖3 沖擊聯(lián)軸器部分組件網(wǎng)格模型

        2.3約束和載荷的處理

        在工作過程中,整個(gè)被動(dòng)盤被螺栓和鍵固定在磁電機(jī)軸上,飛重塊被磁電機(jī)前端的圓柱擋釘暫時(shí)固定。在電嘴點(diǎn)火之前,主動(dòng)盤轉(zhuǎn)速較低,彈簧蓄能較少,被動(dòng)盤受到的載荷最?。划?dāng)電嘴能夠正常點(diǎn)火時(shí),主動(dòng)盤轉(zhuǎn)速較高,彈簧蓄能最多,被動(dòng)盤受到的載荷最大。這時(shí),沖擊聯(lián)軸器也最容易發(fā)生故障。本文選擇在被動(dòng)盤受到最大載荷時(shí)對(duì)沖擊聯(lián)軸器進(jìn)行分析,將作用在被動(dòng)盤上的彈簧載荷簡(jiǎn)化為等效扭矩加在被動(dòng)盤的相應(yīng)部位上,施加的約束和扭矩如圖4所示。

        圖4 沖擊聯(lián)軸器的約束和載荷

        等效扭矩公式為:

        式中,E為材料的彈性模量,d為彈簧的直徑,φ為彈簧的扭轉(zhuǎn)角度,D為彈簧的中徑,n為彈簧的有效圈數(shù)。根據(jù)上面公式,計(jì)算得被動(dòng)盤上所受的等效扭矩為97 N·mm.為運(yùn)算方便,取等效扭矩T=100 N·mm.

        3 沖擊聯(lián)軸器的有限元分析

        通過線性靜態(tài)分析,可以得到?jīng)_擊聯(lián)軸器部分組件在最大載荷下的變形及應(yīng)力的分布規(guī)律,其強(qiáng)度也可由應(yīng)力和變形的情況來確定[7-8]。利用Midas NFX軟件,對(duì)沖擊聯(lián)軸器進(jìn)行線性靜態(tài)分析,得出在100 N·mm的扭矩作用下沖擊聯(lián)軸器部分組件的總體位移和馮米塞斯應(yīng)力云圖,如圖5所示。

        (續(xù)下圖)

        圖5 沖擊聯(lián)軸器部分組件在100 N·mm的扭矩作用下的分析結(jié)果圖

        根據(jù)有限元分析結(jié)果,得到?jīng)_擊聯(lián)軸器各組件的最大應(yīng)力值和最大位移,如表2所示。從應(yīng)力來看,沖擊聯(lián)軸器的最大應(yīng)力值為185.6 MPa,發(fā)生在墊片處。其它區(qū)域的應(yīng)力值也都比較小,遠(yuǎn)小于合金鋼的屈服極限724 MPa.沖擊聯(lián)軸器的強(qiáng)度安全系數(shù)為n=σs/σmas=724/185.6≈4,遠(yuǎn)大于1,說明沖擊聯(lián)軸器的強(qiáng)度滿足要求。

        表2 沖擊聯(lián)軸器部分組件的靜力分析結(jié)果

        從位移來看,沖擊聯(lián)軸器的最大位移為0.0126 mm,發(fā)生在飛重塊處。其次為被動(dòng)盤和拉力板,為0.0098 mm.銷軸和墊片的變形較小。而由沖擊聯(lián)軸器在縱軸方向上的位移云圖(見圖6)可知,被動(dòng)盤和拉力板在銷軸結(jié)合處的位移較大,達(dá)到0.009 2 mm.在沖擊聯(lián)軸器工作中,扭矩的作用是反復(fù)循環(huán)的。而此處,拉力板的最大應(yīng)力值比被動(dòng)盤的大。長(zhǎng)此以往,拉力板勢(shì)必會(huì)因疲勞而先于被動(dòng)盤損壞。這與實(shí)際情況符合,說明分析結(jié)果比較合理。

        4 結(jié)束語

        本文通過對(duì)沖擊聯(lián)軸器進(jìn)行三維實(shí)體建模、有限元網(wǎng)格劃分,建立了以四面體四節(jié)點(diǎn)單元為基本單元的沖擊聯(lián)軸器有限元分析模型,并對(duì)其進(jìn)行了線性靜態(tài)分析,得到如下結(jié)論:

        (1)Midas NFX軟件能夠很好地模擬沖擊聯(lián)軸器工作時(shí)的應(yīng)力與變形狀況,計(jì)算精度比較高;

        (2)沖擊聯(lián)軸器各組件的最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力值,強(qiáng)度滿足使用要求,且具有較大的強(qiáng)度儲(chǔ)備;

        (3)沖擊聯(lián)軸器的整體變形很小,各組件的變形趨勢(shì)和實(shí)際工作比較吻合,模型可以用于動(dòng)力學(xué)分析;

        (4)沖擊聯(lián)軸器拉力板與銷軸結(jié)合的部位存在一定的安全隱患,在設(shè)計(jì)上需要進(jìn)行強(qiáng)化。長(zhǎng)時(shí)間使用后,要注意觀察拉力板表面變化情況。

        [1]徐海港,周慎杰,孫剛.農(nóng)用運(yùn)輸車車架數(shù)字模擬與靜動(dòng)態(tài)分析技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2007,(6):48-50.

        [2]唐慶如.活塞發(fā)動(dòng)機(jī)[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2007.

        [3]王勖成.有限元法[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

        [4]劉吉明,雷剛,廖林清,等.車門靜態(tài)剛度的有限元分析[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,22(9):25-27,35.

        [5]顧祥軍,張維強(qiáng).基于ANSYS的剪板機(jī)機(jī)架有限元分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010,10(2):476-478,494.

        [6]張孝瓊,張維強(qiáng).半掛車車架主縱梁的有限元分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2009,9(4):1068-1071.

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        [8]馬廣,黃東明,王志明.農(nóng)用三輪車車架結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)特性仿真分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版),2007,33 (5):562-567.

        圖6 沖擊聯(lián)軸器部分組件在縱軸方向上的位移云圖

        Analysis for the Impulse Coupling of a Type of Magneto based on Midas NFX

        ZHU Xin-yu,WANG Wei-feng,LI Bao-guo
        (Aviation Engineering Institute,Civil Aviation Flight University,Guanghan Sichuan 618307,China)

        The finite element method is used for simulation analysis on the impulse coupling of a type of magneto,a three dimensional solid model is established by the software of CATIA.Using the Midas NFX software,a finite element model of the impulse coupling is also established,and the linear static analysis is performed.And then the intensity value and the deformation of the components of the impulse coupling under the working condition were obtained,which provides a theoretical reference for the subsequent fault analysis.

        the impulse coupling;midas NFX;the linear static

        V233.3.27

        A

        1672-545X(2016)07-0042-03

        2016-04-08

        項(xiàng)目資助:中國(guó)民用航空飛行學(xué)院科研基金學(xué)生科技活動(dòng)基金項(xiàng)目(X2014-10)

        朱新宇(1969-),男,河北滄州人,教授,研究方向:飛行器故障診斷與預(yù)測(cè)、飛機(jī)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化;王威風(fēng)(1988-),男,河南商丘人,碩士生,研究方向:民用航空器維修理論與技術(shù)。

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