有限元分析2

1车载钻机动力水龙头箱体和中心轴有限元分析报告郑州机械研究所2014.032本项目对车载钻机动力水龙头中的箱体和中心轴采用有限元方法分析其强度和刚度。三维造型使用SolidWorks软件，有限元分析使用Simulation软件。一、箱体的有限元分析1.1、箱体模型根图纸，进行箱体的三维造型，如图1-1和图1-2所示。图1-1箱体三维造型13图1-2箱体三维造型21.2、材料及特性：材料：钢弹性模量E=2.02E11N/m2泊松比ν=0.3密度ρ=7800kg/m31.3、约束和载荷箱体通过下部两侧的16个螺栓孔支撑，因此，在下部两侧的16个螺栓孔位置实行固定约束，图1-3中绿色箭头所示。箱体承受中心轴传递过来的120T载荷，作用在箱体中心的φ360圆面上，方向向下。载荷作用的位置及方向如图1-3中红色箭头所示。44图1-3约束和载荷1.4、划分网格对齿轮箱体进行网格剖分，对于下部两侧链接的螺栓孔进行网格加密处理，采用高精度单元，共剖分节点177896，单元113234。图1-4是网格剖分图。5图1-4网格剖分图1.5、有限元分析1.5.1、强度分析箱体下部两侧螺栓固定，在箱体中部φ360圆面上作用120T方向向下的载荷，计算后得到箱体的拉应力和压应力分布云图。图1-5和图1-6是两个观察方向的拉应力分布云图，图1-7和图1-8是两个观察方向的压应力分布云图。由分析得到，最大拉应力和压应力均出现在螺栓孔处，范围很小，最大拉应力为289.3MPa，最大压应力为345.2MPa。箱体在轴承所在面的四周承受拉应力稍大，约63MPa，如图1-5中绿色所示，底部圆锥根部、圆锥底面与筋板连接处承受拉应力较大，约104MPa，如图1-6中绿色所示。在箱体与长度方向的筋板连接处承受压应力较大，约159MPa，如图1-8中绿色所示。6图1-5拉应力分布云图1图1-6拉应力分布云图27图1-7压应力分布云图1图1-8压应力分布云图21.5.2、刚度分析图1-9和1-10为两个观察方向的箱体变形分布云图。由于箱体下部两侧固定约束，因此这部分变形为零，图1-9中蓝色所示。箱体中部φ360圆面作用向8下载荷，因此这部分区域变形最大，图1-9中红色所示，最大变形为0.189mm。图1-9位移分布云图1图1-9位移分布云图29二、中心轴的有限元分析2.1、中心轴模型根据图纸，进行中心轴的三维造型，如图2-1所示。图2-1中心轴三维造型2.2、材料及特性：材料：钢10弹性模量E=2.06E11N/m2泊松比ν=0.29密度ρ=7900kg/m32.3、约束和载荷中心轴的φ350下端面与箱体中部的φ360圆面链接，因此，在φ350下端面位置实行固定约束，图2-2中绿色箭头所示。中心轴下端NC50螺纹承受有120T的轴向力和30KNm的扭矩。载荷作用的位置及方向如图2-2中红色箭头所示。图2-2约束和载荷112.4、划分网格对中心轴进行网格剖分，对约束面与轴的过渡圆角处、载荷作用面上端的轴颈处进行网格加密处理，采用高精度单元，共剖分节点117646，单元77295。图2-3是网格剖分图。图2-3网格剖分图2.5、有限元分析122.5.1、强度分析中心轴φ350下端面固定，在下部NC50螺纹上作用120T方向向下的载荷和30KNm扭矩，计算后得到中心轴的拉应力和压应力分布云图。如图2-4、图2-5和图2-6所示。由分析得到，中心轴最大拉应力出现在作用载荷NC50螺纹上端轴颈的过渡圆角处，如图2-4中红色所示，最大拉应力为426.7MPa，在约束面与轴的过渡圆角处拉应力也较大，约240MPa，如图2-4中绿色所示，最大压应力出现在约束面的内圈，最大压应力为290.4MPa，如图2-5中蓝色所示。此外，在φ350上端面过渡圆角出压应力也较大，约122MPa，如图2-5中绿色所示。图2-4拉应力分布云图13图2-5压应力分布云图114图2-6压应力分布云图22.5.2、刚度分析图2-7为中心轴变形分布云图。由于中心轴在φ350处约束，下端NC50螺纹作用载荷，因此，在约束面以上部分变形为零，图2-7中蓝色所示。越往下变形越大，图中由蓝色往绿色、黄色过渡，最大变形在载荷作用的NC50螺纹上，图2-7中红色所示，最大变形为0.3155mm。15图2-7位移分布云图结论：箱体承受的载荷最终传递到螺栓孔上，在螺栓孔处出现应力集中，拉应力达到289.3MPa，压应力达到345.2MPa。其他位置应力在160MPa以下。在载荷作用面和中心孔上变形较大，最大变形为0.189mm。中心轴轴颈处直径φ122mm，过渡圆角R6.4mm，最大拉应力在过渡圆角处，达到426.7MPa。在约束面内圈，压应力最大，达到290.4MPa。在载荷作用的NC50螺纹上变形较大，为0.3155mm。