基于ANSYS的轮对过盈配合微动分析

基于ANSYS的轨道车辆车轮与轨道接触分析及优化设计摘要：针对特殊车辆中的轨道车辆车轮与轨道相互接触的问题，结合赫兹接触计算理论[1-3]，改进计算因子。

建立三维模型，并且对模型进行有限元分析[4-6]，得到位移及应力云图。

建立数学优化模型，对于结果进行优化。

结合实例加以说明。

关键词：接触分析；优化模型；优化分析Abstract：To the wheel and the rail track vehicle special vehicle in mutual contact problems，combining with the theory of Hertz contact，improved calculation factor. The three-dimensional model is established，and the finite element analysis on the model，get the displacement and stress cloud chart. The mathematical optimization model is established to optimize the result. Combined with examples to illustrate.Keywords：Contact analysis Optimization model Optimization analysis1.概述本文主要针对轨道车辆车轮与轨道之间的接触问题建立模型，确定接触问题为刚性和柔性接触。

对于高度非线性问题，运用ANSYS分析工具，在确定接触区域及接触时间前提下，仿真分析得到位移及应力的云图，运用改进接触分析计算因子，通过建立优化模型，对结果进行优化处理。

2.构建模型简图及确定相关参数通过调节优化参数的数值后，在施加载荷相同的情况下，车轮直径一定的情况下，车轮和轨道截面的厚度在约束范围内越大，应力造成的破坏范围越小，最大应力的数值先减小，后增大，位移所显示的形变量越小。

基于Ansys Workbench 的行星架组件过盈配合仿真研究及结构改善徐 鹏1 吕小波2 胡吉全1 李 波1 杨艳芳11.武汉理工大学物流工程学院 武汉 4300632.湖北科峰传动设备有限公司 黄冈 438000摘 要：针对某典型小型行星减速器输出轴组件，对其销轴与行星架的过盈配合展开研究。

首先根据理论计算得到过盈量的初始范围；再利用Ansys Workbench 软件模拟分析设计参数对过盈装配的影响，其中重点分析了过盈量和摩擦系数对接触压力、等效应力和压装曲线的影响关系。

研究发现过盈量对过盈配合的影响最大，摩擦系数对接触压力的影响可以忽略不计，在此基础上根据仿真结果对理论计算的初始过盈量范围进行优化，得到最佳过盈量范围为0.004～0.008 mm；最后将销轴结构进行改善，结果表明所提出的阶梯销轴不会改变联接的可靠性，且能改善结构应力情况，提升压装质量，为小型行星减速器输出轴组件的设计提供参考。

关键词：行星减速器；过盈配合；仿真优化；压装质量中图分类号：TH132.46 文献标志码：A 文章编号：1001-0785（2020）14-0032-07Abstract: As for components of the output shaft of a typical small planetary reducer, the interference fit between its pin shaft and planet carrier was studied. Firstly, the initial magnitude of magnitude of interference was calculated according to theories. Then, Ansys Workbench software was used to simulate and analyze the influence of design parameters on interference fit, among which the influence of magnitude of interference and friction coefficient on contact pressure, equivalent stress and press-fitting curve was emphatically analyzed. It was found that the magnitude of interference affected the interference fit to the greatest degree, and the influence of friction coefficient on contact pressure can be ignored. Based on the above, the initial magnitude of interference calculated theoretically was optimized according to simulation results, and the optimal magnitude of interference was 0.004 to 0.008 mm; finally, the pin shaft structure is improved, and results showed that the proposed stepped pin shaft will not change the reliability of the connection, and can improve the structural stress and the quality of press fitting, which can provide a reference for the design of output shaft components of small planetary reducerKeywords: planetary reducer; interference fit; simulation optimization; press-fitting quality0 引言减速器是机械零部件中的重要成分，在我国的装备与制造业中发挥着重要作用。

过盈配合的有限元分析工程力学系张晨朝20803001过盈配合的有限元分析摘要: 在工程应用中,利用接触有限元法建立了内轴与外套过盈配合的有限元力学模型来判断结构设计是否符合要求。

针对内轴和外套的过盈配合状态，采用大型通用有限元ANSYS 软件对组合模具进行了有限元分析, 得出了内轴与外套在过盈配合状态下的应力分布规律及接触面压力分布状况, 找到了应力集中位置和大小。

结论表明结构配合尺寸设计没有使结构产生变形, 该结构完全符合产品的设计要求。

关键词: 过盈配合; ANSYSAbstract: In the project application, in order to judge whether the structural design meets the requirement, the finite element and mechanical model of the interference joint between inside lining and outside wrap is established by used contact -finite- element methods. Aimed at condition of the interference joint between inside lining and outside wrap, we carry on the finite element analysis based on ANSYS and attain the stress distribution in interference joint; the pressure distribution in contact face and the location and the size of stress concentration. It is concluded that the structure interference joint size of combined die do not make the mold have distortion and the combined die completely meets the product design requirement.Key words: interference joint; ANSYS1 引言过盈配合[1]是机械工业中一种常见的零部件组装方式,齿轮、轴承以及火车车轮等与其装配轴之间的配合大多采用过盈配合。

基于ansys的过盈配合接触应力分析摘要介绍了基于ansys的接触分析步骤，并通过ansys软件，将对一个盘轴紧配合结构进行接触分析，来说明接触分析的有限元计算方法。

关键词ansys 过盈配合接触分析引言在工程结构中，经常会遇到大量的接触问题。

火车车轮与钢轨之间，齿轮的啮合是典型的接触问题。

接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的计算资源，为了进行实为有效的计算，理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。

接触问题存在两个较大的难点：其一，在你求解问题之前，你不知道接触区域，表面之间是接触或分开是未知的，突然变化的，这随载荷、材料、边界条件和其它因素而定；其二，大多的接触问题需要计算摩擦，有几种摩擦和模型供你挑选，它们都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难。

本文以ansys软件为工具，以某转子中轴和盘的连接为例，分析轴和盘的过盈配合的接触应力。

1.面面接触分析的步骤：在涉及到两个边界的接触问题中，很自然把一个边界作为“目标”面而把另一个作为“接触”面，对刚体—柔体的接触，“目标”面总是刚性的，“接触”面总是柔性面，这种两个面合起来叫作“接触对”。

使用Targe169和Conta171或Conta172来定义2D接触对，使用Targe170和Conta173或Conta174来定义3D接触对，程序通过相同的实常数号来识别“接触对”。

在接触问题中，两个相互接触的物体必须满足边界不穿透的约束条件，施加边界不穿透约束的方法主要有罚函数算法和扩增的拉格朗日算法。

罚函数算法是在总势能泛函中加入惩罚项，来近似满足接触约束条件。

从物理意义上讲，罚函数法相当于在接触边界上加入线弹簧以防止接触面之间的相互渗透，而罚函数因子相当于弹簧的刚度系数。

罚函数法的优点在于不增加系统未知数总数，可保持刚度矩阵的对称性，提高了求解效率，但罚函数因子的取值对计算结果的精度影响很大，必须根据渗透情况对其进行多次调整。

扩增的拉格朗日算法是为了找到精确的拉格朗日乘子而对罚函数修正项进行反复迭代，与罚函数的方法相比，拉格朗日方法不易引起病态条件，对接触刚度的灵敏度较小，然而，在有些分析中，扩增的拉格朗日方法可能需要更多的迭代，特别是在变形后网格变得太扭曲时。

Ansysworkbench参数化过盈配合模拟计算确定所需过盈量在机构设计中，常常需要校核设计的过盈量能否满足设计需求，一些规则简单的构件能够通过手工计算校核，但一些复杂的零件会增加计算的难度和误差，这时候可以利用有限元软件进行计算确认。

1、打开软件，建立所需模型（可直接在CAD软件中建立导入）2、双击Static Structural,右键Geometry---Import Geometry---Browse导入建好的模型3、双击进入Gometry，检查模型，退出；再双击Model,进入载荷和边界条件设置材料默认为structural steel,设置网格大小，点击生成网格设置配合接触面为摩擦接触，摩擦系数设置为0.2（可根据实际材料设定摩擦系数）4、右键Frictional-1,插入commands命令右侧命令行输入keyopt,cid,9,6 （消除模型及网格划分造成的过盈量误差）5、插入contact Tool，将插入命令前后的接触信息进行对比插入前，过盈值误差3.4634e-5插入命令后，过盈值7.2172e-15,几乎可以忽略为06、增加所需的过盈量值，左键点击Frictional----offset---设置为0.02，并勾选上前面的框，出现一个P，进行参数化7、设置边界条件及载荷，端面A设置传递扭矩Moment为50N.m,端面B设置fixed，下图所示：将Moment勾选，进行参数化8、右键solution，分别插入:---Equivalent Stress---勾选Maximum---contact Tool---sliding Distance---勾选Maximum---Moment Reaction---勾选Z Axis退出，进入操作平台9、双击parameter Set左侧出现下图，分为输入和输出参数右侧出现下图列表栏根据设计需求，可分别增加参数，本例增加扭矩200N.m及过盈量0.025，进行计算，得下图结果判断依据：D栏等效应力能否满足材料强度要求；E栏两配合面相对滑动值是否过大，导致传递误差过大：F栏输出端扭矩值是否和输入端一致或者接近：。

基于ANSYS Workbench对圆柱面过盈配合接触应力的研究李亚洲;汤易升;陈炜;张西正【摘要】利用有限元分析软件ANSYS Workbench,模拟空心轴与包容件的过盈配合过程,通过改变单一因素的实验方法,分析圆柱面过盈配合中接触应力分布情况和各个因素的关系.本文分析了过盈量、包容件外径、接触宽度、轴向拉力和压力的影响因素.对实验结果进行分析得出如下结论:轴和包容件的接触区域的最高等效应力区,受到边缘效应的影响,最高应力集中区出现在端部边缘处.包容件在靠近边缘的中间部位出现低应力区域.空心轴表面的应力值呈现出从一端到另端逐渐增加的现象.%Using finite element analysis software ANSYS Workbench,the simulation of the hollow shaft and containing a process,by changing the single factor experiment method,analysis of interference fit of cylinder is contact stress distribution and the relationship between the factors.The interference are analyzed in this paper,the quantity,inclusive a diameter,contact width,the influence factors of axial tension and stress.Analysis of experimental results the following conclusions:shaft and tolerance of contact area of the maximum equivalent stress area,under the influence of edge effect,high stress,high in the end edge.Containing a appears near the edge of the middle low stress area.On the surface of the hollow shaft stress value present a growing phenomenon from one end to the other end.【期刊名称】《天津理工大学学报》【年(卷),期】2017(033)003【总页数】5页(P1-5)【关键词】过盈配合;有限元;影响因素;等效应力【作者】李亚洲;汤易升;陈炜;张西正【作者单位】天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统与智能控制重点实验室,天津300384;天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统与智能控制重点实验室,天津300384;天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统与智能控制重点实验室,天津300384;军事医学科学院卫生装备研究所,天津300161;天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统与智能控制重点实验室,天津300384;军事医学科学院卫生装备研究所,天津300161【正文语种】中文【中图分类】TH140过盈连接普遍采用的方法是热胀冷缩或强力压入将有过盈量的两个接触面装配到一起[1-6].在接触面上会产生很大的径向力.在过盈连接承受轴向力和扭矩时，接触区域将产生相应的摩擦力与力矩来抵御外部施加的力和力矩[7-8].过盈连接是一种半永久性连接.它有很多优点，结构简单，生产成本低，消除了焊接产生局部应力，零部件容易产生局部疲劳与断裂的缺点，也解决了部分金属材料和机械结构进行螺纹加工困难的问题，常用于薄壁件连接处（不易加工螺纹），具有良好的对中性，应力分布相对比较均匀，承载能力强，结构紧凑美观等优点[9].现阶段对过盈配合的研究，已经在很多方面进行了.有从过盈连接的接触面变形类型来研究的，将过盈面的的变形分为弹性变形和塑性变形两个阶段进行不同的研究[10].弹形是指在过盈连接件，拆卸后，原先的接触面能够恢复到原有的直径不发生永久性变形.塑性变形，接触表面的材料受到很大的力，超出其强度极限，导致接触面发生了永久性变形.另一种研究分类，将过盈连接的研究，根据接触面的形状不同，分为圆锥面和圆柱面[11]对圆柱面的研究相对比较多，主要研究领域集中在轴和轮毂配合方面，研究方法普遍采用弹性力学与材料力学的理论公式进行推导计算.应用传统的经典弹性力学，可以解决轴和包容件的应力特性问题.但随着工程研究的深入，人们需要更加直观和准确研究接触区域的非线性力学问题.一些学者提出了对过盈连接应力分布影响因素的研究.由于经典的弹性力学方法已经不再适用，无法满足对过盈配合区域的直观的定性分析.现阶段普遍采用的研究方法是将数值计算的方法引入到对过盈连接影响因素的研究中.随着有限元分析的方法的发展，很多学者利用有限元分析软件，对过盈配合面进行应力分析，能更加准确、直观、细致的分析出过盈配合的变形过程[12].本文利用有限元分析软件ANSYS Workbench，通过控制单一变量的方法，对过盈链接的影响因素进行了研究，得到每个单变量因素对接触区域应力分布的影响、应力值的影响规律.建立的有限元模型，材料选择为结构钢，空心轴总长为30 mm，外径为Φ48 mm，内径为Φ40 mm；轴套总长为Φ30 mm，基本配合外径为Φ40 mm，过盈量大小取（0.042 mm，0.059 mm，0.076 mm）内径为Φ32 mm轴和轴套均采用合金钢材，其材料常数为：弹性模量E=2.01×109Pa，泊松比ν=0.27，材料密度ρ=7 800 kg/m3.模型的建立采用中间格式倒入的方法，首先在Solid works 里建立空心轴与包容件的模型，利用中间格式导入到ANSYS Workbench软件中进行过盈配合的模拟装配.模拟装配过程如图1所示.利用Solid works建立图1a三维模型，将建立的三维模型转化为中间格式x-t的文件，导入到ANSYS Workbench中，后对网格属性，材料属性进行设置，进行网格的划分得到图1b.网格划分完成，对包容件施加约束和位移加载，方法，对包容件端部固定，同时对空心轴一端施加位移，完成的模拟装配过程.得到如图1c所示模拟装配后的应力分布图.2.1 过盈量变化对等效应力的影响的计算研究本次研究借助ANSYS Workbench软件，通过控制单一影响因素，观察结果变化的方法，研究过盈量大小，对过盈配合区域的接触应力分布的影响.本次实验，Φ40 mm孔与轴的配合采用基孔制，过盈量根据国标GB1801-1979选取H7/n7、H7/s6、H7/u6，三种过盈配合关系，通过计算得到最大的过盈量分别是0.042 mm，0.059 mm，0.076 mm.根据控制单一变量的原理，保持接触宽度，轴向力，包容件外径大小，都不变，单一改变过盈量，对三组实验对象进行模拟装配.如2图所示，图2a、2b、2c分别代表过盈量为0.042 mm、0.059 mm、0.072 mm包容件的等效应力分布图，图2中包容件的应力分布有明显的规律性，在靠近边缘的中部出现了低应力区域.图3a、3b、3c分别代表空心轴的应力分布情况，空心轴外表面接触区域应力分布，呈现出从一端到另一端逐渐增加的变化，最大应力集中到插入端.图4a所示为过盈量为0.042 mm、0.059 mm、0.072 mm的包容件，从未被约束端到被约束端的应力分布情况，从曲线图4a可知，不同过盈量下包容件表面的应力分布均发生了突变，出现低应力区，从三条曲线的总体趋势来看，接触区域的应力值大小与过盈量大小成正比，随过盈量的增加而增加.图4b代表不同过盈量下，轴的接触区域的等效应力分布曲线.从曲线中可以看出，轴的接触区域应力值，从一端到另一端不断增加，从不同过盈量的轴对比发现，轴的接触区域应力值随着过盈量的增大而升高.2.2 接触宽度的变化对应力集中情况影响的研究对接触宽度的变化对应力集中情况的研究实验，采用同样的方法，保持过盈量，包容件外径大小，轴向力F不发生变化的情况下，单一改变接触宽度的大小，建立接触宽度b=30、40、50 mm的分析模型.此实验过盈量为0.059 mm，包容件的外径Φ48 mm.图5a、5b、5c表示不同接触宽度下包容件的应力分布情况，通过对结果的观察分析可知，包容件的接触区域应力分布受到边缘效应的影响，在靠近边缘处的中间部位出现了低应力区域.图6a、6b、6c为空心轴的应力分布情况，从图中可以观察到空心轴的应力分布情况呈现一定的规律性，轴的应力值从一端到另一端逐渐增加.图7a、7b分别代表包容件与轴，在不同宽度影响下接触区域的应力曲线图.观察图7a可知，包容件的接触应力在其他影响因素不变的情况下，随着接触宽度的增加，包容件的等效应力值降低，宽度越小边缘效应越明显，边缘处应力集中越明显，最大应力值越大.图7b为空心轴的应力分布，从一端到另一端应力值逐渐增加，宽度越大应力值的变化速度越慢，曲线的越平缓，边缘处的应力集中情况越不明显. 2.3 包容件外径大小对接触应力的影响研究对包容件外径大小对配合面的应力分布影响的研究，是在保证过盈量，接触面的基本直径，轴向力，接触宽度，不发生变化的情况下，单一改变包容件的外径大小，来进行模拟装配过程.实验分析中，建立直径接触面Φ40 mm，轴向力F=0，接触宽度b=30 mm，过盈量为0.056，包容件外径大小分别是Φ48 mm、Φ56 mm、Φ62 mm的分析模型.对三个模型进行模拟装配分析，分析情况如图8、图9所示. 图8a、8b、8c分别为外径大小Φ48 mm、Φ56 mm、Φ62 mm包容件的接触区域应力分布图，从分析结果分析可知，在接近边缘的区域出现低应力区.图9a、9b、9c分别是外径为Φ48 mm、Φ56 mm、Φ62 mm的包容件对应空心轴，接触区域的应力分布情况，从图中看出空心轴的等效应力值，从一端到另一端逐渐增加，在边缘处出现最大值.图10a所示为不同外径下包容件的接触区域应力分布情况，包容件的接触区域受边缘效应的影响，最大等效应力值出现在边缘处，同时在接近边缘的中间部位有低应力区域出现.从图10a的曲线图可以看出，包容件的半径越大，从低应力区到应力集中的边缘处这段区域变化越平缓.包容件半径越大，低应力区所占据的区域范围越大，低应力区域的应力值过渡越平缓.包容件半径越大，低应力区的最小等效应力值和边缘处的最大等效应力值越小.图10b所示为空心轴的应力分布情况，从图中可知，接触的初始区域应力值变化都比较平缓，接触中期区域的应力值发生了急剧增加，包容件半径越大的对应的轴应力急剧增加的速度越慢.相反包容件半径小的等效应力值的急剧增加速度越大.2.4 轴向力对接触区应力影响的研究研究轴向力对配合区域接触应力的影响所建立的分析模型，控制单一变量，保持包容件外径，过盈量，接触宽度不变的情况下，单一改变轴向所加载的力的大小和力的方向，本次实验所建立的模型，过盈量为0.059 mm，包容件外径Φ48 mm，接触宽度b=30 mm，轴向力加载，分四种情况，F=±60 MPa和F=±130 MPa，正代表压力，负号代表拉力.模拟过盈装配的分析结果如下.图11a、11b分别代表轴向受60 MPa和120 MPa的压力作用下的配合中包容件的等效应力分布图.图11e代表空心轴在左右两端未受到力的作用时，包容件的接触区域的应力分布图.图12a、12b代表轴向受到60 MPa和120 MPa拉力力作用的配合中包容件的等效应力分布图.图12e代表空心轴不受轴向力时的应力分布图.从图11a、11b分析可知，轴向力没有影响边缘效应的出现，靠近边缘的中间区域仍然出现了低应力区，边缘处出现应力集中.图12a、12b可知空心轴的应力分布仍然保持从一端到另一端逐渐增加的趋势，边缘处应力值最大.图13a、13b分别代表不同轴向力作用下，包容件的接触区域应力分布和空心轴的接触区域应力分布情况.由图13a所示可知，包容件在接触的开始区域与中部区域应力值变化都非常平缓.其中这部分区域的应力值，在不同的轴向力作用下呈现一定的规律性，120 MPa压力＞60 MPa压力＞0作用力＞60 MPa拉力＞120 MPa拉力.图13b分析可知，轴的接触区域应力值分布情况的总体趋势与包容件相反，120MPa压力＜60 MPa压力＜0作用力＜60 MPa拉力＜120 MPa拉力.分析轴向力对应力值分布影响规律可知，轴向力对包容件应力值的影响，实质上是轴向力影响了接触区域的过盈量的值.轴在受到压力时，发生了弹性变形，半径变大，相当于增加了轴的过盈量.故压力作用下应力值高于没有作用力时的应力值，高于拉力作用下的应力值.1）圆柱面形状的过盈配合应力分布情况，受过盈量、结合面宽度、包容件直径、轴向力的影响.同时包容件的应力分布情况近似成对号函数的分布，轴的应力分布呈现近似于线性分布，包容件与轴都呈现出边缘效应，包容件的现象更明显，由边缘效应所产生的应力集中现象，应力值远远高于其他部位的应力值，这对过盈配合的可靠性产生极坏的影响.2）过盈量的大小对应力值的影响有着直接对应的关系，随着过盈量的增加，应力值增加.接触区域宽度对过盈配合区域应力值分布有一定的影响，接触区域越宽，包容件的应力集中现象越弱，边缘处的最大等效应力值越小，过盈连接越可靠.包容件外径大小对应力分布有影响，但实验结果的曲线具有一定的复杂性，总体表现是半径越小，包容件的边缘处应力集中越明显，应力值变化越快.3）轴向力对应力分布影响显著，包容件的区域应力值分布呈现出的规律为轴两端受到压力时，大于两端不受力，大于两端受到拉力作用.在承受范围内，两端力越大，这种现象越明显.轴的表面接触区域的应力值分布，在受到拉力作用时，区域的应力值高于受到压力作用，两端的力越大这种现象越明显.影响包容件应力值分布的原因，最终可以归结于过盈量的变化，轴在受到压力和拉力时，发生弹性变形改变原有过盈量，引起包容件应力分布的变化.【相关文献】［1］杨广雪，谢基龙，李强，等.过盈配合微动损伤的关键参数［J］.机械工程学报，2010，46（16）：53-59.［2］黄庆学，王建梅，静大海，等.油膜轴承锥套过盈装配过程中的压力分布及损伤［J］.机械工程学报，2006，42（10）：102-108.［3］陈连.过盈连接可靠性设计研究［J］.中国机械工程，2005，16（1）：28-30.［4］张洪才.Ansys14.0理论解析与工程应用实例［M］.北京：机械工业出版社，2012.［5］刘江.Ansys14.5 workbench机械仿真实例详解［M］.北京：机械工业出版社，2014. ［6］张杰，韩传军.轴向载荷下空心轴过盈联接的力学特性［J］.四川大学学报，2013，45（S1）：53-57.［7］李伟建，潘存云.圆柱面过盈连接的应力分析［J］.机械制造与技术，2008，27（3）：313-317.［8］张敬佩，李初晔.过盈配合产生的接触压力和拔出力计算[J].机械设计与制造，2010（10）：195-197.［9］王少江，李学明，张安鹏，等.大型焊接齿轮与轴过盈配合有限元分析［J］.煤矿机械，2015，36（5）：134-136.［10］滕瑞静，张余斌，周晓军，等.圆柱面过盈连接的力学特性及设计方法［J］.机械工程学报，2012，48（13）：160-166.［11］李伟建，潘存云.圆柱面过盈连接的应力分析［J］.机械科学与技术，2008，27（3）：313-317.［12］张杰，韩传军.轴向载荷下空心轴的过盈连接力学特性［J］.四川大学学报：工程科学版，2013（S1）：53-57.。