/濱州市計(jì)量測(cè)試檢定所

0 引言

扭矩扳手檢定裝置是一種用于對(duì)扭矩扳手進(jìn)行扭矩值檢定的裝置。在扭矩值檢定過程中受力桿在扭矩扳手反作用力的作用下會(huì)產(chǎn)生一定彈性形變，進(jìn)而影響檢定數(shù)值的準(zhǔn)確性。以往的設(shè)計(jì)中通過增加受力桿的長(zhǎng)度來(lái)減小檢定過程中受力桿的變形對(duì)檢定數(shù)值造成的影響，這種設(shè)計(jì)理念使得檢定裝置相對(duì)笨重，影響了使用過程中的靈活性，也無(wú)形中增加了制造成本[1]。

利用ANSYS Workbench建立仿真模型對(duì)受力桿進(jìn)行靜力學(xué)分析，模擬其對(duì)扭矩扳手進(jìn)行扭矩值檢定時(shí)在扭矩扳手反作用力下的應(yīng)力、應(yīng)變及變形的情況，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)對(duì)受力桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化設(shè)計(jì)[2]。

1 受力桿結(jié)構(gòu)

受力桿總長(zhǎng)度為1 045 mm，厚24 mm，材料為45號(hào)鋼，其抗拉強(qiáng)度600 MPa，屈服強(qiáng)度355 MPa，質(zhì)量為10.677 kg[3]。受力桿結(jié)構(gòu)由一端鉆有圓孔的長(zhǎng)方體實(shí)體和圓環(huán)組成。受力桿圓環(huán)與標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器連接，圓孔處與滑動(dòng)支撐連接。受力桿長(zhǎng)方體實(shí)體側(cè)面承受局部壓力。受力桿結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 受力桿結(jié)構(gòu)

2 受力桿的靜力學(xué)分析

扭矩扳手檢定裝置設(shè)計(jì)所能檢定的最大扭矩為1 000 N·m。其扭矩方程為式（1）。其中，最大扭矩M0=1 000 N·m，力臂L=714 mm ；則受力桿側(cè)面承受局部壓力F=1 400 N。

建立受力桿的有限元分析模型，定義材料屬性：彈性模量為2.09×105MPa，泊松比為0.269，密度7.89×103kg/m3。其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程[4]為

式中：[M]——質(zhì)量矩陣；

{x}——位移矢量；

[C]——阻尼矩陣；

[K]——?jiǎng)偠认禂?shù)矩陣；

{F}——力矢量

由于受力桿滿足連續(xù)體結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)在載荷下的應(yīng)力、應(yīng)變以及位移也是連續(xù)的；結(jié)構(gòu)材料變形滿足胡克定律，受力桿線性靜力分析不受時(shí)間因素的影響，速度、加速度變量可以略去[5]，則方程變?yōu)?/p>

根據(jù)受力桿整體尺寸及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)置的網(wǎng)格尺寸準(zhǔn)確度，對(duì)受力桿進(jìn)行自動(dòng)劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分后的模型，其節(jié)點(diǎn)數(shù)為753 915，網(wǎng)格數(shù)為171 264。

對(duì)劃分好網(wǎng)格的受力桿模型的圓環(huán)和圓孔處施加固定約束，并在受力桿側(cè)面力臂L=714 mm處施加局部壓力F=1 400 N。求解完成后查看受力桿在載荷F作用下的等效應(yīng)力、總形變和Z軸位移形變?cè)茍D[6]。

從圖2、圖3、圖4得出，受力桿的最大等效應(yīng)力σmax=62.124 MPa，最小應(yīng)力σmin=7.124 8 MPa；最大位移總形變?chǔ)膍ax=0.049 mm，Z軸最大位移形變?chǔ)膠max=0.049 mm。分析等效應(yīng)力云圖和位移總形變?cè)茍D可知，受力桿的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在應(yīng)力集中的軸孔處，最大值為62.124 MPa，遠(yuǎn)小于材料的可用應(yīng)力。受力桿Z軸方向位移形變與受力桿位移總形變的一致性表明，受力桿在側(cè)面局部壓力F的作用下產(chǎn)生Z軸方向的彈性形變，且最大形變量為0.049 mm，遠(yuǎn)小于扭矩扳手在檢定過程中的變形，對(duì)檢定過程中數(shù)值的影響可以忽略不計(jì)[7]。

圖2 受力桿的等效應(yīng)力云圖

圖3 受力桿的位移總形變?cè)茍D

圖4 受力桿的Z軸位移形變?cè)茍D

3 受力桿的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在對(duì)受力桿的靜力學(xué)分析中可以得出受力桿的最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，受力桿的位移形變量也很小，可以對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化處理。

由于受力桿中間部位承受應(yīng)力較小，可采用工字形結(jié)構(gòu)代替長(zhǎng)方體實(shí)心結(jié)構(gòu)[8]。受力桿優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 受力桿優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)

對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相同載荷和約束下的靜力學(xué)分析，求解得到優(yōu)化后的等效應(yīng)力云圖（圖6）、位移總形變?cè)茍D（圖7）。受力桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的質(zhì)量、最大位移總形變量、最大等效應(yīng)力對(duì)比如表1所示。

圖6 受力桿優(yōu)化后的等效應(yīng)力云圖

圖7 受力桿優(yōu)化后的位移總形變?cè)茍D

表1 受力桿優(yōu)化前后參數(shù)表

通過對(duì)比受力桿優(yōu)化前后的參數(shù)得出，受力桿質(zhì)量減小40.5%，最大等效應(yīng)力減小15.6%，其原因?yàn)椴捎霉ぷ中谓Y(jié)構(gòu)減小了中間支撐的剛性，對(duì)圓孔處的應(yīng)力集中起到了一定的緩和作用。最大位移總形變量增加0.006 mm，可以忽略。優(yōu)化后的最大位移總形變量和最大等效應(yīng)力都在許用范圍之內(nèi)。從對(duì)受力桿的優(yōu)化結(jié)果分析中可以看出，采用工字形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案可以在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和形變量的前提下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)扭矩扳手檢定裝置受力桿結(jié)構(gòu)的分析與優(yōu)化可以看出，優(yōu)化后的受力桿質(zhì)量減小40.5%，并且保證了最大等效應(yīng)力和最大位移形變量都控制在可用范圍內(nèi)。達(dá)到節(jié)約材料減輕質(zhì)量的目的，為今后相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供改進(jìn)方向。