某孔軸壓裝的計(jì)算分析與仿真研究摘要在零件自動(dòng)壓裝技術(shù)中，過(guò)盈零件的裝配質(zhì)量是產(chǎn)品合格的重要保證。對(duì)于所需零件的壓力裝配曲線作為參考，是保證裝配精度與效率的重要需求。合理的壓力裝配曲線可為企業(yè)壓裝設(shè)備的設(shè)計(jì)及壓裝過(guò)程提供理論與技術(shù)支撐，提高產(chǎn)品質(zhì)量與生成效率。本設(shè)計(jì)以高鐵空氣閥門的孔軸壓裝為例，分析壓裝過(guò)程，研究過(guò)盈裝配系統(tǒng)的套件接觸壓力和壓裝力計(jì)算模型，計(jì)算了實(shí)際孔軸零件的接觸壓力與壓裝力。通過(guò)LS-DYNA有限元分析軟件對(duì)孔軸進(jìn)行建模、參數(shù)設(shè)置、模型改進(jìn)；仿真孔軸零件在過(guò)盈裝配情況下的力與位移曲線，分析摩擦系數(shù)、過(guò)盈量對(duì)最優(yōu)壓裝力的影響。將實(shí)驗(yàn)、理論計(jì)算與仿真壓裝力結(jié)果進(jìn)行比較和分析，仿真結(jié)果有實(shí)用價(jià)值，可以為企業(yè)的壓力裝配提供更可靠的理論依據(jù)，使其更貼近實(shí)際工況。關(guān)鍵字：過(guò)盈配合；孔軸；壓力裝配；LS-DYNA目錄TOC\o"1-3"\h\u1422620054第一章緒論 1225331.1研究背景與意義 1119561.2自動(dòng)壓裝技術(shù)的研究現(xiàn)狀 2303051.3有限元法及有限元軟件在過(guò)盈配合中的應(yīng)用 318861.4本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 431432第二章孔軸模型過(guò)盈配合的力學(xué)模型 5210162.1力學(xué)模型 524192.1.1條件假設(shè) 5301232.1.2模型接觸壓力與壓入力計(jì)算 5234482.2理論計(jì)算 6178632.2.1模型尺寸 682632.2.2材料參數(shù) 7160812.2.3孔軸模型的參數(shù)計(jì)算 7116502.3本章小結(jié) 817709第三章孔軸模型過(guò)盈配合的有限元模型 9191743.1接觸問(wèn)題概述 9112013.2LS-DYNA有限元分析軟件介紹 9272743.3孔軸模型的建立 1091683.3.1孔軸模型的建立及網(wǎng)格劃分 1025733.3.2過(guò)盈量設(shè)置 1321343.3.3材料參數(shù)設(shè)置 1312613.3.4約束條件及加載條件 13188223.3.5接觸設(shè)置 13108943.3.6后處理 1384903.3.7有限元分析基本流程與單位制選擇 14157853.5本章小結(jié) 1516102第四章孔軸模型最優(yōu)壓裝力 16286604.1摩擦系數(shù)對(duì)接觸力及最優(yōu)壓裝力的影響 16214224.1.1改變摩擦系數(shù)進(jìn)行比較 16174714.1.2理論計(jì)算受摩擦系數(shù)影響的結(jié)果 16240604.1.3有限元仿真受摩擦系數(shù)影響的結(jié)果 17210944.2過(guò)盈量對(duì)最優(yōu)壓裝力的影響 17257224.2.1改變過(guò)盈量對(duì)接觸壓力與壓入力影響 179524.2.2過(guò)盈量對(duì)壓入力的影響 17315534.3實(shí)際值與理論值、仿真值比較分析 18214544.3.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 1840654.3.2不同裝配階段對(duì)應(yīng)的應(yīng)力變化 19166144.3.3接觸壓力比較 1968574.3.4理論、實(shí)驗(yàn)、實(shí)際壓入力比較 20123464.3本章小結(jié) 202249結(jié)論與展望 211471參考文獻(xiàn) 23第一章緒論1.1研究背景與意義過(guò)盈配合是實(shí)現(xiàn)零件間緊密接觸的一種配合方式，在孔軸過(guò)盈配合當(dāng)中，孔的內(nèi)徑尺寸小于軸的直徑尺寸，過(guò)盈量的存在使孔軸零件裝配完成后孔的內(nèi)徑變大，軸的直徑變小，在形成的接觸面上會(huì)有徑向壓力的產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)零件的緊密結(jié)合[1]。在眾多制造行業(yè)中，過(guò)盈裝配質(zhì)量和可靠性是保證設(shè)備正常運(yùn)行的必要條件。汽車等交通工具的發(fā)動(dòng)機(jī)在構(gòu)成上也包括很多過(guò)盈零件，過(guò)盈裝配質(zhì)量在其工作運(yùn)行中有很大影響。對(duì)于過(guò)盈裝配，可以采用設(shè)備直接壓入法、低溫法和加熱裝配法等[2]。過(guò)盈配合零件在裝配過(guò)程中由自動(dòng)壓裝設(shè)備進(jìn)行壓裝，本文以壓力機(jī)直接壓入進(jìn)行裝配。交流伺服電動(dòng)缸作為力與位移控制中高效的驅(qū)動(dòng)單元，具有控制精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[3]。伺服電動(dòng)缸的閉環(huán)控制大大提高了對(duì)于壓裝過(guò)程位置精度控制，在速度控制上電動(dòng)缸轉(zhuǎn)速范圍大，提高壓裝對(duì)速度的要求，已逐漸取代傳統(tǒng)的液壓缸壓裝系統(tǒng)。在壓裝配過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的過(guò)盈配合性能，除了要進(jìn)行合理的過(guò)盈量設(shè)置、選擇合理的壓裝工藝外，還需對(duì)壓裝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及對(duì)壓裝過(guò)程的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢與管理也是非常有必要的。在自動(dòng)化壓裝設(shè)備中，對(duì)于零件的壓裝設(shè)備，目前主要采用多窗口控制，該方式只能在壓入曲線上設(shè)置的多個(gè)指定位置判斷位置與壓力的大小，從而調(diào)整電動(dòng)缸轉(zhuǎn)速的大小進(jìn)行控制。零件在過(guò)盈配合過(guò)程中的接觸面與裝配質(zhì)量緊密相關(guān)，因此過(guò)盈配合壓力裝配和裝配過(guò)程的力與位移曲線的指導(dǎo)一直是研究的重點(diǎn)。不僅孔軸模型需要裝配曲線的指導(dǎo)，對(duì)于任意過(guò)盈零件來(lái)講，歸根結(jié)底都需要實(shí)際模型的力與位移曲線作為參考。通過(guò)實(shí)際曲線的研究可以分析零件在壓入過(guò)程中的靈活變化，提高零件裝配質(zhì)量的同時(shí)保證壓裝機(jī)器不被過(guò)度損壞。這些都體現(xiàn)出力與位移曲線在壓裝控制過(guò)程中的重要作用。國(guó)內(nèi)自動(dòng)化的壓裝設(shè)備大多是通過(guò)力與位移的曲線檢測(cè)壓裝[4]，指導(dǎo)壓裝過(guò)程，因此壓裝曲線在裝配過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。壓裝執(zhí)行件的選型對(duì)于自動(dòng)化壓裝機(jī)設(shè)備是非常重要的。企業(yè)對(duì)于壓裝執(zhí)行件選型的相關(guān)計(jì)算參照的是機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)提供的相關(guān)數(shù)據(jù)、公式以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可靠性不高[5]。由于企業(yè)缺少通用的過(guò)盈配合壓力裝配理論支持，在生產(chǎn)中僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)、實(shí)際數(shù)據(jù)，在裝配過(guò)程中效率不高，實(shí)際生產(chǎn)零件質(zhì)量存在問(wèn)題。本文基于LS-DYNA對(duì)過(guò)盈零件壓力裝配過(guò)程分析，采用了有限元分析方法，根據(jù)材料屬性、尺寸精度等參數(shù)，仿真計(jì)算得到壓裝過(guò)程中的壓裝力．位移曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓裝過(guò)程更科學(xué)的描述，同時(shí)為基于力與位移曲線控制壓裝質(zhì)量的控制模式提供相應(yīng)的理論曲線，為壓裝機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行的加載狀況提供理論依據(jù)，指導(dǎo)實(shí)際壓裝過(guò)程。同時(shí)通過(guò)比較不同影響因素下的壓裝情況，分析不同改變對(duì)最優(yōu)壓裝力的影響。將實(shí)驗(yàn)、理論計(jì)算結(jié)果與仿真進(jìn)行比較分析不同方法在壓裝過(guò)程中的差異。1.2自動(dòng)壓裝技術(shù)的研究現(xiàn)狀合理的壓裝曲線對(duì)于零件裝配至關(guān)重要，壓裝技術(shù)也需要不斷提升來(lái)滿足企業(yè)需求。自動(dòng)壓裝機(jī)器是通過(guò)在指定方向上施加壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)零件間裝配的，且壓裝機(jī)多用于過(guò)盈配合零件的裝配。壓裝設(shè)備包括液壓、伺服電動(dòng)缸等類型，壓力設(shè)備將電機(jī)轉(zhuǎn)速變?yōu)樗轿灰?，從而?shí)現(xiàn)壓裝?？傮w來(lái)看，無(wú)論是采用任何一種控制方式，對(duì)于零件的壓入力與位移曲線是必不可少的參考，通過(guò)合適的壓入曲線可以使過(guò)盈配合零件不會(huì)由于壓入力過(guò)大使零件損壞，為零件裝配質(zhì)量提供保障，增長(zhǎng)零件使用壽命。在2011年霍玉芳等人提出力與位移曲線監(jiān)測(cè)，采用壓力傳感器與位移傳感器，使零件在壓裝過(guò)程中實(shí)時(shí)反饋，更好的提高過(guò)盈零件的壓裝質(zhì)量，此時(shí)壓力與位移的曲線是壓裝過(guò)程的根本依據(jù)[6]。目前多數(shù)壓裝設(shè)備采用窗口監(jiān)測(cè)控制的方法，對(duì)于W500-P監(jiān)測(cè)儀，由公差判斷窗口軌跡和包絡(luò)線軌跡進(jìn)行檢測(cè)和控制。在公差判斷窗口軌跡中有對(duì)壓裝過(guò)程中最大位移窗口的設(shè)置，可以通過(guò)窗口設(shè)置在壓裝位移中必須穿越的數(shù)值或不可穿越的數(shù)值；包絡(luò)線軌跡中可以實(shí)現(xiàn)用上下兩條包絡(luò)線限制壓裝過(guò)程中對(duì)應(yīng)位置壓裝力的范圍。此方法監(jiān)控窗口設(shè)置參數(shù)的在零件壓入位移的對(duì)應(yīng)位置的壓入力大小需要被給定[7]。當(dāng)壓裝曲線越過(guò)限定值會(huì)發(fā)出警告，壓裝零件出現(xiàn)問(wèn)題。在壓力裝配設(shè)備的不斷發(fā)展過(guò)程中，壓力裝配曲線的重要性越來(lái)越明顯，壓力裝配曲線的仿真具有重要作用。利用有限元分析軟件進(jìn)行模型仿真對(duì)實(shí)際壓裝具有指導(dǎo)作用，通過(guò)對(duì)模型的仿真分析其壓裝過(guò)程中的壓入力及接觸力都可以通過(guò)仿真軟件進(jìn)行分析，得到合適的壓入條件。1.3有限元法及有限元軟件在過(guò)盈配合中的應(yīng)用對(duì)于有限元法通俗易懂的理解為：先分再合，將要分析的物體劃分成很多小物體單元，對(duì)每個(gè)小物體進(jìn)行分析后，再把分割的有限個(gè)小物體分析結(jié)果合在一起。有限元法的應(yīng)用范圍廣，有限元法適合解決比較復(fù)雜的非線性問(wèn)題。過(guò)盈裝配的技術(shù)在各行各業(yè)都有應(yīng)用，隨著企業(yè)和人們的需求，對(duì)加工精度以及裝配質(zhì)量都需要進(jìn)一步發(fā)展。在過(guò)盈零件的裝配方面與有限元法相結(jié)合的應(yīng)用越來(lái)越引起人們重視。一些學(xué)者利用ANSYS、LS-DYNA、ABAQUS有限元仿真軟件對(duì)各種過(guò)盈零件進(jìn)行仿真，Yong-junWu,Jian-jun等人在2012年提出齒輪考慮彈性變形，滑動(dòng)摩擦等因素動(dòng)態(tài)接觸有限元方法，利用LS-DYNA用限元分析軟件分析了不同速度下動(dòng)態(tài)齒輪嚙合接觸過(guò)程中產(chǎn)生的接觸力，可適用于連續(xù)和彈性齒輪的動(dòng)態(tài)嚙合特性[8]。大連理工大學(xué)的胡菊云在2012年對(duì)銜鐵組件過(guò)盈配合研究，確定過(guò)盈量的合理取值，在不同條件下分析等效應(yīng)力的影響[9]。李聰杰等人在2013年采用VB語(yǔ)言對(duì)過(guò)盈量等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，提出編程計(jì)算與有限元分析的結(jié)合的計(jì)算方式[10]。一些研究人員對(duì)輪對(duì)壓裝在不同過(guò)盈量下壓入力大小進(jìn)行比較，過(guò)盈量越大壓入力越大；同時(shí)仿真得到摩擦系數(shù)對(duì)接觸面的等效應(yīng)力影響不大，對(duì)壓入力影響明顯；壓入速度對(duì)接觸面等效應(yīng)力無(wú)影響[11,12]。2014年何亞峰等人分析齒輪與軸壓裝過(guò)程，將過(guò)盈配合簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題處理，建立了過(guò)盈量計(jì)算公式，通過(guò)接觸應(yīng)力分析得到理論值與有限元計(jì)算結(jié)果接近，可提供理論依據(jù)[13]。2016年喬穎敏等人對(duì)壓裝配合過(guò)盈量最松最緊狀態(tài)計(jì)算，分析不同配合狀態(tài)下的影響[14]。梁利華等人在2016通過(guò)理論計(jì)算與仿真，驗(yàn)證了過(guò)盈配合是彈塑性變形問(wèn)題[15]。王奎等人在2018年對(duì)軸套過(guò)盈配合進(jìn)行理論計(jì)算，并將理論值與有限元分析值進(jìn)行比較，有限元分析數(shù)值大于理論計(jì)算值，有限元分析更能體現(xiàn)實(shí)際接觸現(xiàn)狀。配合直接越大邊緣壓力越大，與理論相比，驗(yàn)證有限元方法計(jì)算更可靠[16]。熊強(qiáng)強(qiáng)等人在2019年分析導(dǎo)管在壓裝過(guò)程中各階段的受力，分析了過(guò)盈量，潤(rùn)滑條件下對(duì)最大壓裝力的影響[17]。ShipingYang在2019年對(duì)過(guò)盈配合環(huán)齒對(duì)齒根進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析，提出了過(guò)盈配合齒根彎曲強(qiáng)度條件公式[18]。2019年JFJiang等人對(duì)銷與孔過(guò)盈分析，通過(guò)推導(dǎo)，得到了孔與銷之間的接觸應(yīng)力、過(guò)盈配合尺寸的彈性極限，以及塑性區(qū)半徑與過(guò)盈配合尺寸的關(guān)系[19]。鄭州大學(xué)的周洋等人在2020年利用MATLAB編程計(jì)算軸與齒輪過(guò)盈裝配后的齒形徑向位移且利用有限元分析了摩擦系數(shù)與過(guò)盈量增大，徑向位移越大；齒輪齒數(shù)越少，徑向位移越大[20]。2020年北京交通大學(xué)的郝文曉利用仿真軟件對(duì)輪軸接觸表面形狀進(jìn)行建模分析，分析了模型的形狀誤差在壓裝過(guò)程中造成應(yīng)力分布不均勻的影響[21]。在2020年李森分析了海底管道在不同橢圓度條件下過(guò)盈配合后的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，橢圓度越大，應(yīng)力集中越明顯[22]。在2020年王勝曼對(duì)孔軸進(jìn)行軸向接觸應(yīng)力分析，得出邊緣軸向應(yīng)力集中，中間應(yīng)力小[23]。大部分研究人員只是利用零件過(guò)盈量的承載能力進(jìn)行仿真，在2020年ArunPRaj等人利用有限元分析了圓柱度、圓度、粗糙度這三種因素對(duì)過(guò)盈量承載力的影響，結(jié)果表明圓柱度誤差降低承載能力[24]。2020年RSaeedi等人通過(guò)仿真過(guò)盈量對(duì)井下鉆頭疲勞強(qiáng)度有影響[25]。1.4本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是確定最優(yōu)的壓裝力。最優(yōu)的壓裝力值通常是由經(jīng)驗(yàn)累積和相關(guān)理論計(jì)算確定的。設(shè)定值與準(zhǔn)確值在大小上存在一定偏差，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)壓裝過(guò)程不同位移進(jìn)行有效的壓入力控制。因此，生產(chǎn)過(guò)盈零件的壓裝設(shè)備需要能為零件在壓力裝配過(guò)程中對(duì)壓力值的準(zhǔn)確設(shè)定以及更好的實(shí)現(xiàn)有效控制。企業(yè)需要能夠提供壓裝設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行的最大壓裝力以及在已知實(shí)際裝配零件材料屬性、配合過(guò)盈量、孔軸尺寸參數(shù)下的合理壓裝過(guò)程的F-S理論曲線。

第二章孔軸模型過(guò)盈配合的力學(xué)模型2.1力學(xué)模型2.1.1條件假設(shè)在孔軸零件的裝配過(guò)程中，由于實(shí)際壓裝過(guò)程存在很多外界影響因素難以分析，故在理論分析中需要一些假設(shè)條件。過(guò)盈裝配過(guò)程中可能存在彈性形變和彈塑性形變。由于過(guò)盈量的影響，在軸壓入孔的過(guò)程中，壓入力不斷增大，接觸面產(chǎn)生的壓力也隨著增大，屬于彈性區(qū)域，此時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的變化是線性關(guān)系的。當(dāng)壓入過(guò)程中應(yīng)力超過(guò)屈服極限時(shí)，孔軸模型會(huì)發(fā)生從彈性到塑性的變化，應(yīng)力與應(yīng)變從線性變化到非線性[26]。彈塑性范圍假設(shè)條件：孔與軸均為平面應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)的軸向應(yīng)力為0。假設(shè)孔與軸在結(jié)合長(zhǎng)度上受到的結(jié)合壓力為常數(shù)。假定孔與軸的材料彈性模量均為不變的常量。2.1.2模型接觸壓力與壓入力計(jì)算在軸壓入孔的過(guò)程中軸直徑被壓縮，孔內(nèi)徑被擴(kuò)張，孔軸相互擠壓，在孔軸接觸表面形成徑向壓力。徑向壓力不僅是壓入過(guò)程造成摩擦力的因素，同時(shí)是過(guò)盈零件緊密結(jié)合的根本原因。圖2-1為孔軸模型過(guò)盈裝配的簡(jiǎn)化圖。在圖中，模型包括孔與軸兩部分?；诤癖趫A筒理論，計(jì)算孔軸過(guò)盈配合的接觸壓力以及壓裝力。圖2-1孔軸示意圖假設(shè)軸的內(nèi)徑為，孔軸結(jié)合半徑為，孔的外半徑為,過(guò)盈配合孔的擴(kuò)張量為，軸的壓縮量為。基于厚壁圓筒理論，推導(dǎo)后可知以下公式[27]：(2-1)(2-2)其中為軸的彈性模量，為孔的彈性模量，為軸的泊松比，為孔的泊松比。（2-3）結(jié)合前面三個(gè)等式，可得接觸壓力：（2-4）壓入力為：（2-5）其中為孔軸接觸長(zhǎng)度，為摩擦系數(shù)。2.2理論計(jì)算2.2.1模型尺寸孔軸模型剖面圖如下圖2-2、圖2-3所示。圖2-2為軸的示意圖，圖2-3為孔的示意圖。軸的直徑為50.0157mm,軸的長(zhǎng)度為12mm，軸初始端的倒角為3?，倒角深度為3mm；孔的內(nèi)徑為49.883mm,孔的外徑為80mm，孔的長(zhǎng)度為11mm，孔的倒角為15?，倒角深度為1mm。過(guò)盈量為0.1327mm。圖2-2軸零件尺寸圖2-3孔零件尺寸2.2.2材料參數(shù)實(shí)際壓裝采用孔與軸零件材料都采用鋁合金6061，表2-1為具體材料屬性。表2-1材料屬性材料名稱鋁合金6061密度泊松比彈性模量屈服強(qiáng)度2.70g/cm?0.3368900MPa276MPa2.2.3孔軸模型的參數(shù)計(jì)算孔軸零件在裝配完成后，孔與軸的接觸界面就會(huì)產(chǎn)生由于過(guò)盈量形成的接觸壓力。接觸壓力P的大小與過(guò)盈量有關(guān)。基于厚壁圓筒理論，孔與軸模型可以應(yīng)用該理論進(jìn)行分析壓力裝配過(guò)程的受力情況。圓筒理論對(duì)于空心軸計(jì)算的，實(shí)際孔軸模型對(duì)于軸是實(shí)心的，當(dāng)取值為0時(shí)，軸為實(shí)心軸。同時(shí)可知接觸壓力與過(guò)盈量，材料彈性模量有關(guān)，與壓入的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)?？纵S模型過(guò)盈裝配結(jié)合表面存在摩擦力，壓入過(guò)程需要克服過(guò)盈量及接觸面的粗糙程度直接決定的摩擦阻力，在裝配過(guò)程中所需的壓裝力等于壓入過(guò)程中的摩擦力。經(jīng)過(guò)計(jì)算可得，，，，，由于孔軸材料屬性相同，。將參數(shù)代入公式計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：接觸壓力為壓入力為當(dāng)摩擦系數(shù)取0.07時(shí)，由計(jì)算結(jié)果可得，壓入量最大時(shí)，最大壓入力為5815N。2.3本章小結(jié)本章主要介紹過(guò)盈配合下基于厚壁圓筒理論對(duì)接觸界面接觸壓力與壓入力的分析，算出實(shí)際孔與軸的接觸壓力及壓入力，為后續(xù)分析提供參考。

第三章孔軸模型過(guò)盈配合的有限元模型3.1接觸問(wèn)題概述接觸問(wèn)題包括摩擦過(guò)程的接觸和碰撞兩類問(wèn)題。在孔軸壓力裝配過(guò)程中，存在接觸的不可預(yù)測(cè)性等很多因素造成實(shí)際受力分析結(jié)果為非線性的。在初始?jí)喝腚A段，軸從未接觸狀態(tài)到接觸狀態(tài)，接觸剛開始的應(yīng)力集中現(xiàn)象可能大于材料的屈服應(yīng)力，使得接觸界面的受力包括彈塑性的變化；在壓入過(guò)程中，由于接觸面積的不斷變化，接觸面的不斷增加，在接觸過(guò)程中造成的壓力變形，接觸壓力分布不均；摩擦過(guò)程中接觸面的變形導(dǎo)致接觸面積的變化，接軸在壓入過(guò)程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)等一系列問(wèn)題都是導(dǎo)致非線性存在的原因。有限元分析軟件對(duì)于接觸、碰撞等非線性有很大作用，通過(guò)有限元軟件進(jìn)行模型建立以及求解，可得模型的近似解。歸根結(jié)底，接觸界面的非線性主要影響因素：接觸的不確定。即在不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)發(fā)生接觸的零件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由于前一時(shí)刻運(yùn)動(dòng)是否使材料已將發(fā)生形變，只有在接觸求解時(shí)刻才能確定接觸的實(shí)際狀況。接觸的非線性。接觸過(guò)程中物體接觸界面相互作用，由于過(guò)盈量的引入，材料性質(zhì)改變等影響，對(duì)于接觸判斷與計(jì)算都比較復(fù)雜。由于以上原因，使得對(duì)于接觸過(guò)程需要對(duì)每一時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行接觸檢測(cè)。接觸問(wèn)題的求解一般采用試探-校驗(yàn)的迭代方法進(jìn)行求解[28]。具體步驟如下：根據(jù)初始條件，剛度矩陣等計(jì)算出的迭代的結(jié)果和此時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，檢查此刻的接觸狀態(tài)，建立新的接觸關(guān)系。在該時(shí)刻判斷接觸類型，對(duì)發(fā)生接觸的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)方程的求解。如果接觸結(jié)果滿足校驗(yàn)條件，則完成本次求解并加載下一時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，直到接觸界面的求解都滿足校驗(yàn)要求，依次循環(huán)直到達(dá)到設(shè)定的時(shí)間，結(jié)束并輸出最終結(jié)果。如果不滿足條件，則結(jié)果可能發(fā)生不收斂情況，停止求解，輸出結(jié)果報(bào)錯(cuò)。3.2LS-DYNA有限元分析軟件介紹LS-DYNA應(yīng)用范圍廣泛，它是一款有限元力學(xué)分析軟件，能夠生產(chǎn)過(guò)程中各種復(fù)雜的力學(xué)問(wèn)題，在航空航天、汽車、機(jī)械制造、建筑、材料等行業(yè)都有廣泛應(yīng)用。LS-DYNA軟件對(duì)非線性問(wèn)題處理方面有很大的優(yōu)勢(shì)，它的算法有Lagrangian算法、ALE算法和Euler算法。LS-DYNA在非線性動(dòng)力學(xué)有很大的優(yōu)勢(shì)，可以模擬靜態(tài)仿真和動(dòng)態(tài)仿真，同時(shí)包括顯示分析和隱式分析[29]。LS-DYNA軟件自帶前處理器，求解器，后處理器三部分組成。在前處理界面有不同類型的關(guān)鍵字，不僅可以對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行建立與網(wǎng)格劃分，同時(shí)可以對(duì)模型進(jìn)行材料，約束等關(guān)鍵字進(jìn)行條件設(shè)置。分析計(jì)算可按照設(shè)置情況進(jìn)行求解計(jì)算。計(jì)算結(jié)果通過(guò)后處理界面顯示，可觀察孔軸模型在壓入過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變情況，觀察不同時(shí)間對(duì)應(yīng)壓入力的大小以曲線方式顯示出來(lái)。3.3孔軸模型的建立3.3.1孔軸模型的建立及網(wǎng)格劃分對(duì)于有限元的仿真，求解的精準(zhǔn)在于模型的建立，網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)置。根據(jù)主從面一般的定義原則：將孔定義為主面，軸定義為從面，將孔的網(wǎng)格密度劃分進(jìn)行加密，軸的網(wǎng)格密度劃分稀疏。在LS-PREPOST界面通過(guò)blockM關(guān)鍵字進(jìn)行孔和軸模型的建立，進(jìn)行處理并劃分好網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接決定求解的準(zhǔn)確性與收斂性，網(wǎng)格密度過(guò)密，使求解時(shí)間加長(zhǎng)；網(wǎng)格稀疏，求解速度提高，求解準(zhǔn)確度不高。網(wǎng)格劃分越亂，單元種類越多，會(huì)對(duì)求解造成影響，使求解不收斂，直接導(dǎo)致計(jì)算失敗。合適的網(wǎng)格密度對(duì)于求解問(wèn)題很重要。具體模型建立過(guò)程如下：如圖3-1中為BlockM關(guān)鍵字設(shè)定界面。在Indexlist和positionlist中進(jìn)行模型初始化建立，Index設(shè)定的參數(shù)間距決定網(wǎng)格的密度，position設(shè)定的參數(shù)決定實(shí)物模型大小。position中的間距差是實(shí)際模型的長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)Index中的間距差為實(shí)際間距劃分的網(wǎng)格格數(shù)。圖3-1computationwindow窗口經(jīng)過(guò)多次仿真與模型建立，為了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性以及高效性，對(duì)孔模型選擇網(wǎng)格間距為30，軸模型選擇間距為20，軸模型使用蝴蝶形網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量比較高。通過(guò)BlockM界面中的computationwindow進(jìn)行初始模型的切割位置，在Del選項(xiàng)中實(shí)現(xiàn)切割，在computationwindow窗口選中所需投影表面，在Project選項(xiàng)中進(jìn)行投影，最終通過(guò)投影形成所需模型。這里的投影是通過(guò)選中模型的面對(duì)外部添加的圓柱面，球面等進(jìn)行貼合，將模型的表面映射成圓柱面或球面。從模型面到投影面的網(wǎng)格劃分由computationwindow界面中的索引間距決定。投影結(jié)果如圖3-2所示。圖3-2投影圖當(dāng)直接將軸壓入孔中會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，使接觸端口出現(xiàn)過(guò)大變形且壓入力急劇增大?？纵S模型對(duì)于倒角的建立是有必要的。同理，利用投影原理對(duì)孔軸模型進(jìn)行倒角的建立。投影前需通過(guò)計(jì)算引入倒角度數(shù)的半徑確定投影圓柱面的半徑，把模型邊緣線進(jìn)行投影即可得到所需倒角?？纵S模型的倒角投影完成后的圖3-3和圖3-4。圖3-3孔倒角圖圖3-4軸倒角圖經(jīng)過(guò)切割，投影等操作最終生成孔軸模型總固體單元個(gè)數(shù)173600，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為252738。單元屬性為SOLID（恒應(yīng)力固體單元），孔軸模型如下圖3-5。圖3-5孔軸模型圖3.3.2過(guò)盈量設(shè)置過(guò)盈量設(shè)置:在仿真模型中，在建立孔軸模型時(shí)直接加入過(guò)盈量，設(shè)定孔的直徑為49.883mm，軸的內(nèi)徑為50.0157mm，過(guò)盈量為0.1327mm。3.3.3材料參數(shù)設(shè)置材料屬性：在LS-DYNA中材料選項(xiàng)卡中選擇24號(hào)片段線性材料即：*MAT-PIECEWISE-LINEAR-PLASTICITY，在卡片中設(shè)置材料的編號(hào)MID、彈性模量、密度、泊松比，設(shè)定完成后在對(duì)應(yīng)的part零件上選擇定義材料的編號(hào)。仿真中設(shè)置材料為鋁合金6061，在對(duì)應(yīng)關(guān)鍵字卡片中輸入相關(guān)參數(shù)，為后續(xù)模型設(shè)置做基礎(chǔ)。3.3.4約束條件及加載條件邊界條件：在軟件中對(duì)孔一側(cè)端面所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束，禁止孔模型在壓入過(guò)程中位移或旋轉(zhuǎn)。使用*BOUNDARY-SPC-SET將孔的一側(cè)端面完全固定。位移加載條件：使用*BOUNDARY-PRESCRIBED-MOTION-SET對(duì)軸的一端所有節(jié)點(diǎn)施加位移約束，讓軸以固定速度壓入孔中。3.3.5接觸設(shè)置在仿真中采用自動(dòng)面面接觸方式。面面接觸采用的關(guān)鍵字為CONTACT-AUTOMATIC-SURFACE-TO-SURFACE。設(shè)置靜摩擦力FS=0.07，動(dòng)摩擦系數(shù)FD=0.04。在LS-DYNA中算法包含動(dòng)力約束法、分配參數(shù)法、罰函數(shù)法三種方法。在孔軸零件壓裝過(guò)程中采用接觸算法為罰函數(shù)法。罰函數(shù)像彈簧一樣，正常情況下未被壓縮時(shí)，處于初始狀態(tài)，且受力為0；當(dāng)被壓縮時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的力使壓下去的壓縮量回到最初位置。在軸壓入孔的過(guò)程中，設(shè)置每一時(shí)間步長(zhǎng)結(jié)束，對(duì)軸定義的網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)去接觸搜尋主接觸面的網(wǎng)格單元，然后根據(jù)給定接觸條件判斷接觸的狀態(tài)，若軸的節(jié)點(diǎn)穿透接觸界面時(shí)，罰函數(shù)會(huì)施加法向力作用在從節(jié)點(diǎn)，使孔軸始終在表面進(jìn)行接觸[30]。3.3.6后處理后處理操作：在*DATABASE關(guān)鍵字設(shè)置BINRY-D3PLOT動(dòng)畫，可查看軸在壓入過(guò)程中接觸界面的應(yīng)力應(yīng)變等變化，在ASCII-option中設(shè)置RCFORC卡片，用于對(duì)壓裝過(guò)程中接觸界面摩擦力進(jìn)行顯示。3.3.7有限元分析基本流程與單位制選擇對(duì)于實(shí)現(xiàn)一個(gè)模型的有限元仿真，其步驟是：首先建立有限元模型，然后在LS-PREPOST界面進(jìn)行孔軸模型的材料屬性、邊界加載、接觸等條件的設(shè)置，最終在LS-DYNA軟件上進(jìn)行求解，求解完成在將求解文件在LS-PREPOST顯示結(jié)果。通過(guò)前面知道接觸問(wèn)題的特性，對(duì)于有限元仿真具體在進(jìn)行處理接觸問(wèn)題的原理如下，簡(jiǎn)要流程圖如圖3-6。模型建立并被定義后，根據(jù)定義時(shí)間步長(zhǎng)，通過(guò)接觸條件判斷接觸狀態(tài)，進(jìn)行求解狀態(tài)方程，若滿足接觸條件，繼續(xù)進(jìn)行下一次的迭代，直到達(dá)到結(jié)束時(shí)間。圖3-6接觸原理流程圖由于仿真軟件未對(duì)單位進(jìn)行定義，本次仿真計(jì)算模型參數(shù)的基本物理量的單位如下表3-1。表3-1基本物理量的單位質(zhì)量長(zhǎng)度時(shí)間密度彈性模量速度力應(yīng)力tonmmston/mm3MPamm/sNMPa3.5本章小結(jié)本章首先簡(jiǎn)要概述了接觸問(wèn)題以及接觸非線性的特點(diǎn)，給出了對(duì)于接觸問(wèn)題的求解方法。主要圍繞對(duì)孔軸模型在LS-DYNA有限元分析軟件中進(jìn)行模型建立，通過(guò)切割，投影等操作完成對(duì)模型的建立與網(wǎng)格劃分，設(shè)置材料參數(shù)、邊界條件及加載條件等，使模型可以正常的仿真。對(duì)模型在仿真過(guò)程中的接觸原理流程進(jìn)行介紹，實(shí)現(xiàn)了對(duì)孔軸模型壓裝的仿真。

孔軸模型最優(yōu)壓裝力4.1摩擦系數(shù)對(duì)接觸力及最優(yōu)壓裝力的影響4.1.1改變摩擦系數(shù)進(jìn)行比較對(duì)于過(guò)盈壓力裝配，不同的變量對(duì)壓裝結(jié)果有不同的影響。以下考慮摩擦系數(shù)對(duì)壓裝結(jié)果的影響進(jìn)行分析。表4-1為不同摩擦系數(shù)在仿真情況下最終接觸壓力與最終壓入力最大值。表4-1不同摩擦系數(shù)對(duì)應(yīng)接觸力及最大壓入力摩擦系數(shù)0.030.050.090.15接觸力/MPA28.24-68.6540.32-82.7330.68-110.249.24-133軟件仿真最大壓入力/N753484201004715188理論計(jì)算最大壓入力/N24924153747612460由表4-1可得，對(duì)于摩擦系數(shù)越大，接觸壓力越大，最大壓入力越大。理論值是在理想條件下得到的結(jié)果，理論計(jì)算最大壓入里值小于仿真結(jié)果。4.1.2理論計(jì)算受摩擦系數(shù)影響的結(jié)果圖4-1受摩擦系數(shù)影響的理論計(jì)算壓入力由圖4-1看出，由于理論計(jì)算可得摩擦系數(shù)的設(shè)置對(duì)仿真結(jié)果有較大影響，對(duì)于摩擦系數(shù)設(shè)置需要合理選取。4.1.3有限元仿真受摩擦系數(shù)影響的結(jié)果圖4-2受摩擦系數(shù)影響的仿真壓入力由圖4-2仿真結(jié)果看出，摩擦系數(shù)的變化直接影響壓入力的大小，摩擦系數(shù)越大，隨壓入位移增加壓入力也越大。4.2過(guò)盈量對(duì)最優(yōu)壓裝力的影響4.2.1改變過(guò)盈量對(duì)接觸壓力與壓入力影響仿真不同過(guò)盈量的接觸壓力與最大壓入力如下表4-2中。表4-2不同過(guò)盈量對(duì)應(yīng)接觸力及最大壓入力過(guò)盈量0.1mm0.13mm0.18mm接觸力/MPA38.36-67.5031.60-72.4054.78-92.89最大壓入力/N4861684688514.2.2過(guò)盈量對(duì)壓入力的影響圖4-3做出了孔軸模型的過(guò)盈量在0.1mm、0.13mm、0.18mm壓力裝配過(guò)程中的壓入力變化結(jié)果。圖4-3不同過(guò)盈量對(duì)壓入力影響由圖4-3看出，在軸壓入孔的過(guò)程中，過(guò)盈配合條件下壓入力的整體趨勢(shì)相同，對(duì)于過(guò)盈量越大，初始階段的壓入力峰值的越大，整個(gè)壓入過(guò)程壓入力也變大，最終壓入力也隨著壓入長(zhǎng)度在過(guò)盈量的影響下不斷增大。4.3實(shí)際值與理論值、仿真值比較分析4.3.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖4-4為所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)壓入力與壓入位移的曲線關(guān)系，此曲線圖是在設(shè)定壓入速度為1mm/s的條件下進(jìn)行測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖4-4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由圖4-4看出，在壓裝過(guò)程中可以分為三部分，初始?jí)喝?、中間過(guò)程、壓裝末端。實(shí)際壓入過(guò)程曲線變化在壓入起始階段先以較大斜率上升，壓入一定深度后以較小斜率繼續(xù)壓入。壓入過(guò)程中由于軸的不斷壓入，孔軸接觸界面不斷增大而使壓入力增大。壓入快結(jié)束時(shí)刻，由于邊緣造成的影響，使壓入力與接觸壓力又繼續(xù)上升。4.3.2不同裝配階段對(duì)應(yīng)的應(yīng)力變化實(shí)際壓裝過(guò)程在不同階段的壓入狀態(tài)可在仿真系統(tǒng)中觀察。本次仿真對(duì)應(yīng)不同階段的應(yīng)力變化情況如圖4-5，可以看出在壓入初始端和結(jié)束段的應(yīng)力變化大，中間應(yīng)力變化比較平緩。符合邊緣效應(yīng)造成應(yīng)力集中的現(xiàn)象，壓入力變化情況對(duì)應(yīng)應(yīng)力分布情況。壓入結(jié)束壓入中期初始階段壓入結(jié)束壓入中期初始階段圖4-5不同時(shí)期應(yīng)力變化圖4.3.3接觸壓力比較利用仿真模型進(jìn)行仿真壓裝過(guò)程，進(jìn)行壓裝曲線擬合。與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)，分析比較接觸力與壓入力情況。圖4-6為接觸壓力云圖。圖4-6接觸壓力云圖由理論計(jì)算可得，接觸壓力為55.68Mpa，由圖4-6接觸力云圖可看出接觸界面的接觸壓力范圍是31.60-72.40Mpa。仿真接觸壓力范圍與理論計(jì)算相符合。4.3.4理論、實(shí)驗(yàn)、實(shí)際壓入力比較圖4-7理論、實(shí)驗(yàn)、仿真壓入力比較由圖4-7可得，本次仿真曲線與實(shí)際壓裝曲線相符，仿真壓入最大值6840N與實(shí)際壓入最大值接近。有限元仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果整體接近，在壓入過(guò)程中，壓入力曲線變化相符，但在初始階段仿真值上升高于理論和實(shí)際值，終端仿真值低于實(shí)際值，存在誤差。理論值偏小實(shí)際值與仿真結(jié)果，由于理論計(jì)算只是在理想條件下得到的結(jié)果，無(wú)法考慮實(shí)際仿真中對(duì)邊緣等因素造成的影響。通過(guò)有限元分析可以實(shí)際得到壓裝過(guò)程的整體受力變化情況，更具有真實(shí)性和理論價(jià)值。4.3本章小結(jié)本章通過(guò)改變摩擦系數(shù)、過(guò)盈量對(duì)接觸壓力與最大壓裝力進(jìn)行分析，通過(guò)理論計(jì)算與有限元仿真結(jié)果比較摩擦系數(shù)的改變對(duì)壓入力影響，得出摩擦系數(shù)越大，接觸壓力與壓入力越大；過(guò)盈量越大，接觸壓力與壓入力越大。分析比較了理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真分析結(jié)果的壓入力變化情況，對(duì)仿真結(jié)果與壓裝結(jié)果進(jìn)行比較，有限元仿真結(jié)果更接近實(shí)際壓裝過(guò)程的力與位移曲線，而理論計(jì)算只能計(jì)算在特定條件下的力學(xué)變化，無(wú)法考慮實(shí)際壓裝過(guò)程不同階段受力的變化。通過(guò)比較得出有限元分析可以更接近實(shí)際壓裝情況，可以為實(shí)際壓裝生產(chǎn)中提供更佳的曲線。

結(jié)論與展望本文主要對(duì)孔軸過(guò)盈裝配進(jìn)行論述，在零件壓裝過(guò)程進(jìn)行接觸力與壓裝力的分析。首先從理論上，對(duì)孔軸零件過(guò)盈配合壓裝進(jìn)行了研究分析，計(jì)算了零件的接觸壓力與壓入力。利用計(jì)算機(jī)軟件和有限元方法，在LS-DYNA軟件的前處理界面LS-PREPOST中進(jìn)行孔軸模型的建立，通過(guò)關(guān)鍵字設(shè)置進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，得到了壓裝過(guò)程的力與位移。通過(guò)LS-DYNA有限元分析軟件仿真孔軸零件在過(guò)盈裝配情況下的力與位移曲線，分析不同摩擦系數(shù)、過(guò)盈量對(duì)壓入力與接觸力的影響。比較實(shí)際壓力裝配曲線，仿真曲線與理論計(jì)算曲線的差異，分析不同方法在壓裝過(guò)程的影響，有限元仿真可以實(shí)際企業(yè)壓力裝配提供合理的力與位移曲線。得出結(jié)論：對(duì)于壓裝過(guò)程中，摩擦系數(shù)對(duì)壓裝力有較大影響，摩擦系數(shù)的大小直接決定整個(gè)壓入過(guò)程壓入力的大小以及接觸界面壓力的變化；過(guò)盈量越大，接觸壓力與壓入力越大。兩種影響因素造成的主要影響是在初始階段上升峰值增大，在結(jié)束階段上升斜率也增大，對(duì)最大壓入力有很大影響。有限元計(jì)算接觸壓力、最大壓入力與理論值接近，壓入過(guò)程的仿真曲線與實(shí)際壓裝曲線接近。理論計(jì)算與有限元分析結(jié)果相近，有限元分析可以更加真實(shí)的表現(xiàn)實(shí)際壓裝過(guò)程的壓入力變化情況，可以為實(shí)際壓裝提供更加真實(shí)的理論依據(jù)。存在不足：仿真結(jié)果與實(shí)際仍存在一定誤差，對(duì)于初始階段與壓裝結(jié)束階段仿真結(jié)果與實(shí)際相差較大，需要進(jìn)一步去調(diào)整。仿真過(guò)程中未考慮壓入速度對(duì)仿真結(jié)果的影響。仿真只能針對(duì)具體的模型進(jìn)行求解，對(duì)于不同的模型需要重新建模仿真，比較繁雜。

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