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滚轮接触应力的有限元法分析

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滚轮接触应力的有限元法分析

杨阳

【摘 要】滚轮应用领域广泛,它承载力大,转动速度慢,滚轮与轨道接触变形大,接触状态复杂.通过有限元计算完成滚轮的应力应变计算,取得应力应变分布数据.对于接触而导致的有限元计算结果不收敛问题,采用赫兹公式计算验证,力学性能满足要求.

【期刊名称】《煤矿机电》

【年(卷),期】2017(000)003

【总页数】3页(P76-78)

【关键词】滚轮;接触应力;有限元分析(FEA)

【作 者】杨阳

【作者单位】煤炭科学技术研究院有限公司,北京100013;煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京100013

【正文语种】中 文

【中图分类】TB301.1

滚轮是一种重要的机械支撑传动部件，应用广泛。它是在低速重载下工作的回转支承[1]，与轨道的接触状态复杂。由于试验台体积和质量都很大，需要计算滚轮和滚圈轨道间的比压，保证不被压溃。对滚轮的力学能力进行精确计算和数值模拟是设计的重点和难点。

回转支承的失效形式主要有两种[2]:一是滚道损坏，二是断齿。而滚道损坏占的比例达98%以上，评判材料是否产生塑性屈服失效的一个重要准则是Mises屈服准则。

本项目通过有限元软件计算方式完成滚轮的应力应变及分布情况计算，计算取得应力分布等数据，对于接触而导致的有限元计算结果不收敛问题，采用赫兹公式计算验证力学性能是否满足要求。

滚轮材料为40CrNi，调质处理后，屈服极限σs=785×106 Pa，密度7.85 g/cm3，质量0.94 t,弹性模量206 GPa，泊松比0.3。滚轮直径1 m，导轨直径13.6 m，承载设备质量512 t,滚轮接触面直径1 000 mm,接触面宽200 mm。将建立好的模型部件转化为Parasolid格式，导入有限元软件对模型进行力学分析计算。滚轮模型如图1所示。

为了得到便于计算的动态网格特性，缩减计算时间，边界定义过程中把滚轮分成两部分：滚轮主体与接触部分的两个区域，如图2所示。

网格设定的参数将决定网格的大小、单元形状、中间节点位置等结果，将影响分析结果准确性和过程的经济性[3]。

有限元软件中网格划分方法分为自由网格划分和映射网格划分[4]。对于滚轮主体部分采用自由网格划分形式，网格尺寸为2 mm，四面体结构网格；接触部分网格尺寸大小设定为1 mm，并采用映射网格划分方式，以提高计算精度，保证计算结果具有更好的收敛性[5]，滚轮网格划分如图3所示。节点数量为500 310个，单元数量为307 750个。

1)计算参数设定。滚轮工作情况下，承受工作载荷为32 kN。

2)约束与载荷设定。根据实际受力情况，约束与载荷分别如图4、图5所示，对滚轮内环采用fixed support约束，对滚轮外接触部分施加force载荷力320 kN。

3)有限元计算。如图6、图7所示，最大应力为123 MPa，在滚轮与轨道接触点，最大变形量为0.059 4 mm，应力及应变成对称规律分布。

由弹性力学可知，当轴线方向平行的两个圆柱体相接触并受压力作用时，接触面将发生弹性形变，由线接触变为面接触，其接触面为一段矩形接触面，在接触面上产生接触应力，并且最大接触应力位于接触区中线上，对于接触而导致的计算结果不收敛问题，采用赫兹公式计算验证，其计算理论值符合赫兹公式的要求：

式中：P——使两物体接触的法向力； ρ1，ρ2——曲率半径； E1，E2——两接触物体的弹性模量； μ1，μ2——两接触物体的泊松比； b——接触长度。

中正号用于外接触，负号用于内接触，实际是外侧接触，取正号。根据上述条件，公式简化为：

式中,ρ为综合曲率半径。

σmax=0.418=79.4 MPa

最后计算安全系数,通过有限元计算835/123≈6.79；赫兹公式计算：835/79.4≈10.5。

本项目通过有限元软件计算完成滚轮的应力应变计算及分布情况，取得应力分布等数据。利用材料力学计算对滚轮进行载荷分析，验证有限元计算结果，使误差结果在合理范围内，安全系数在要求的范围内。滚轮能满足力学性能，保证了设备的安全使用，为大型试验设备、矿山机械、翻车机、大型研磨机、起重机的支撑滚轮的设计提供了新的方法和理论基础。

【相关文献】

[1] 侯宁.影响回转支承承载能力的四个参数[J].建筑机械,2002(1):21-22

[2] 徐立民，陈卓．回转支承[M].合肥:安徽科学技术出版社，1988.

[3] 王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西安:西北工业大学出版社,1999:1-76.

[4] 易日.使用ANSYS6.1进行结构力学分析[M].北京:北京大学出版社,2002:101.

[5] Xie G, Ramaeker J A H.Graded mesh generation and transformation[J]. Finite Elements

in Analysis and Design,1994,17:41-55.

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地铁车辆曲线区段轮轨接触的有限元分析

地铁车辆曲线区段轮轨接触的有限元分析

第２９卷　第４期　２００８年８月　大　连　交　通　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＤＡＬＩＡＮ　大　学　学　报　ＪＩＡＯＴＯＮＧ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　Ｖｏ　Ｊ．２９　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２００８　

文章编号：１６７３—９５９０（２００８）０４—００２２—０５　

地铁车辆曲线区段轮轨接触的有限元分析　

孙传喜　，张军　，王春艳　，陆仲绩　

（１．大连交通大学交通运输工程学院，辽宁大连１１６０２８；２．上海科学院，上海２０１２０３）　

摘　要：建立了地铁车辆车轮与曲线区段钢轨接触的有限元模型，应用有限元参数二次规划法分析这一　三维轮轨接触问题．对不同轴重和横向力作用下的轮轨接触模型分别进行计算，得出了大量的轮轨接触　应力的分布及变化规律．这些计算结果将有助于找到缓解钢轨侧磨的方法．　关键词：轮轨接触；有限元；二次规划法；钢轨侧磨　中图分类号：Ｕ２６０．１１；Ｕ２１１．５　文献标识码：Ａ　

Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｍｅｔｈｏｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　Ｗｈｅｅｌ／Ｒａｉｌ　

Ｃｏｎｔａｃｔ　Ｐｒｏｂｌｅｍ　ｉｎ　Ｃｕｒｖｉｌｉｎｅａｒ　Ｓｅｃｔｉｏｎｓ　

ＳＵＮ　Ｃｈｕａｎ—ｘｉ　，ＺＨＡＮＧ　Ｊｕｎ　，ＷＡＮＧ　Ｃｈｕｎ—ｙａｎ　，ＬＵ　Ｚｈｏｎｇ￣ｉ　

（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｔｒａｆｆｉｃ　ａｎｄ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ　１　１６０２８，Ｃｈｉｎａ；２　Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１２０３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　ｖｅｈｉｃｌｅｓ’ｗｈｅｅｌｓｅｔ　ａｎｄ　

ｒａｉｌｓ　ｉｎ　ｃｕｒｖｉｌｉｎｅａｒ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌ　

滚轮轨道接触应力计算

滚轮轨道接触应力计算

滚轮轨道接触应力计算

随着现代化工业的快速发展，滚轮轨道的应用越来越广泛，如地铁、高铁、城际列车等轨道交通系统，以及重型机械、港口机械、矿井提升机等重型设备。在这些应用中，滚轮轨道接触应力的大小是影响设备性能和使用寿命的重要因素。因此，对滚轮轨道接触应力的准确计算显得尤为重要。

滚轮轨道接触应力是指滚轮与轨道之间的相互作用力，其大小取决于滚轮和轨道的材料、尺寸、转速、载荷等多个因素。接触应力的大小不仅会影响滚轮和轨道的磨损，还会影响整个设备的振动和稳定性。因此，对滚轮轨道接触应力的准确计算和有效控制是保证设备性能和使用寿命的关键。

目前，滚轮轨道接触应力的计算方法主要有有限元法和赫兹理论。有限元法是一种数值计算方法，通过建立滚轮和轨道的有限元模型，模拟滚轮在轨道上的运动和相互作用，从而得到接触应力的大小。这种方法可以考虑到各种复杂的因素，如非线性、弹性变形等，但计算量大，需要高性能的计算设备和专业的有限元分析软件。

赫兹理论是一种基于弹性理论的解析方法，适用于两个弹性体之间的接触问题。对于滚轮轨道接触问题，赫兹理论可以计算出接触应力的大小和分布规律，但需要预先知道滚轮和轨道的材料属性和尺寸等参数。在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的计算方法，或者将有限元法和赫兹理论结合起来使用，以提高计算精度和效率。

除了计算方法的选择，滚轮轨道接触应力的准确测量也是非常重要的。目前，常用的测量方法有电阻应变法、电感测微法和光纤光栅传感器法等。这些方法各有优缺点，需要根据实际情况选择合适的测量方法和传感器。同时，为了提高测量精度和稳定性，还需要注意测点的选择、信号的处理和误差的修正等问题。

综上所述，滚轮轨道接触应力的计算和控制是保证设备性能和使用寿命的重要环节。在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的计算方法和测量方法，并注意各种因素的影响和控制。只有这样，才能有效地提高设备的性能和使用寿命，满足现代化工业的需求。

滚子接触凸轮的最大接触应力

滚子接触凸轮的最大接触应力

滚子接触凸轮的最大接触应力

引言

滚子接触凸轮是一种常见的机械传动装置，它通过凸轮的运动将动力传递给滚子，实现工作部件的运动。在滚子接触凸轮的设计和分析中，了解滚子与凸轮之间的接触应力是非常重要的。本文将探讨滚子接触凸轮的最大接触应力及其影响因素。

滚子接触凸轮的工作原理

滚子接触凸轮是通过滚子与凸轮之间的直线接触来传递动力。当驱动装置带动凸轮旋转时，滚子沿着凸轮曲线运动。由于滚子与凸轮之间是点对点的直线接触，相比于其他传动方式（如齿轮传动），滚子接触凸轮具有更小的摩擦损失和更高的效率。

滚子接触凸轮的最大接触应力定义

在滚子与凸轮之间存在着一个非常重要的参数——最大接触应力。最大接触应力指的是在滚子与凸轮接触点处的应力值，它是衡量接触强度的关键指标。当最大接触应力超过材料的强度极限时，就会出现磨损、塑性变形甚至断裂等问题。

影响滚子接触凸轮最大接触应力的因素

1. 凸轮曲线形状

凸轮曲线的形状对滚子接触凸轮的最大接触应力有着重要影响。通常情况下，凸轮曲线越平缓，滚子与凸轮之间的接触应力越小。相反，凸轮曲线越陡峭，滚子与凸轮之间的接触应力越大。在设计滚子接触凸轮时，需要合理选择凸轮曲线的形状，以保证最大接触应力在可承受范围内。

2. 滚子尺寸和材料

滚子的尺寸和材料也会对最大接触应力产生影响。一般来说，滚子直径越大，最大接触应力越小；滚子长度越长，最大接触应力越均匀。滚子的材料也会影响最大接触应力，高强度、耐磨损的材料能够承受更大的接触应力。

3. 润滑条件

润滑条件对滚子接触凸轮的最大接触应力有着重要影响。良好的润滑能够降低滚子与凸轮之间的摩擦系数，从而减小接触应力。在设计和运行滚子接触凸轮时，需要考虑润滑条件，并采取相应措施以保证良好的润滑效果。

计算滚子接触凸轮最大接触应力的方法

计算滚子接触凸轮最大接触应力可以采用经验公式或有限元分析等方法。 经验公式法

经验公式法是一种简化计算最大接触应力的方法。常用的经验公式包括哈克公式和迈尔斯公式等。这些公式基于实际试验数据和工程经验，可以快速估算最大接触应力。

基于ansys的过盈配合接触应力分析

基于ansys的过盈配合接触应力分析

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。