單耳無級卡箍力學性能分析

熊健民,戚 坤,周金枝

(湖北工業大學土木工程與建筑學院,湖北 武漢 430068)

卡箍是汽車管路連接的重要連接元件之一,被廣泛應用于傳動系統、燃油系統、安全系統以及排氣系統等,看似小小的卡箍,其作用卻不可忽視,一旦卡箍連接密封出現問題,就會影響整個系統的工作,甚至引發不可想象的安全事故.本文以outike公司的單耳內襯環卡箍為研究對象,該卡箍具有360°無級密封結構、持續可靠的鎖緊作用以及操作簡單等優點,已被廣泛應用.本文用有限元的方法模擬了卡箍的變形過程,該方法可被廣泛應用于同類產品的分析中.

1 計算模型的建立

1.1 幾何模型及結構參數

由于卡箍結構比較復雜,故先在Pro/E里面建立三維模型[1].整個卡箍的變形過程存在高度的非線性,為了提高計算的收斂性,在保證結果準確的前提下多模型進行了簡化,并以＊.iges格式導入ANSYS,結果如圖1所示.

圖1 卡箍模型

1.2 非線性特征的處理

ANSYS程序應用牛頓-拉普森法求解非線性問題,該法將載荷分成一系列的載荷增量來進行求解,如果在某個載荷增量內不收斂,程序則嘗試用一個較小的載荷增量來繼續計算.另外可通過激活如線性搜索、自動步長、二分等選項來增強收斂性.

1.2.1 材料非線性與大變形 塑性變形是典型的非線性問題,在塑性變形的同時往往還伴隨著大位移、大應變的問題.卡箍的材料為鎳鉻合金鋼,故采用雙線性各項同性強化模型,且該模型適用于大變形.在進行ANSYS分析中用激活大變形開關.

1.2.2 接觸 接觸問題是一種高度的非線性行為,存在以下難點:第一,接觸區域的未知性,或是可變化的.第二,大多數的接觸需要考慮摩擦,而摩擦模型都是非線性的,導致問題更加復雜,難以收斂.考慮到幾何模型的實際情況,采用柔體—柔體的面—面接觸單元來模擬接觸行為,選用conta174與target170單元創建接觸對,同時為了減小cpu計算時間,應該盡量地細化接觸對.另外,接觸剛度和接觸容限的設置對于問題的收斂性能至關重要,過大的接觸剛度將導致難以收斂,而太小的接觸剛度則會出現難以接受的穿透問題,須經過多次嘗試,取一個合適中間值[2].

1.3 有限元模型

為了能夠得到夾緊后橡膠管與金屬管接觸面的應力分布,同時能更加準確地模擬卡箍夾緊的過程、方便載荷的施加,須在ANSYS中同時建立橡膠管、卡鉗口的幾何模型.

1.3.1 前處理 卡箍的彈性模量E=1.94×1011,屈服極限205 MPa,抗拉強度520 MPa,泊松比0.3.橡膠管彈性模量取7.8×106,泊松比0.47.卡鉗口和硬管的材料屬性相同,其彈性模量為2×1011,泊松比0.3.卡箍材料還需設置其塑性變形的應力—應變關系,文中采用雙線性等向強化模型,硬化系數取為1×109.全部采用solid92體單元劃分四面體網格,該單元具有塑性變形、大變形能力、大應變能力,滿足計算要求.四面體單元相較六面體單元,雖然精度不高,但對于卡箍這種復雜模型,用四面體單元具有較好的收斂性能.卡箍與卡鉗口的形狀比較復雜,且多處存在應力集中問題,可自動生成四面體單元,并在局部進行修改和細化[3].最終結果如圖2.

圖2 有限元模型

單元劃分完成后,對于可能發生接觸的位置(包括已經接觸的位置)設置接觸對,并可以通過9個實常數來控制每個接觸對的接觸行為.本模型中可能接觸的位置較多,如:卡鉗與卡箍、卡箍自身的滑動接觸、卡箍與軟管、軟管與硬管等,應盡可能地細化接觸區域,設置盡量準確的接觸對,以提高計算速度[4].

夾緊過程卡鉗對卡箍施加的加緊力約為1200～1800 N不等,本文研究載荷為1700 N.

1.3.2 求解 由于卡箍載荷的施加位置并不明確,不能固定于節點、線、面等,其載荷的位置是隨著變形不斷變化的,故考慮卡箍的約束和載荷全部通過接觸來實現,如:卡箍與軟管接觸構成約束,卡鉗口與卡箍的接觸可對卡箍施加一對稱載荷.同時為了保證變形過程中所有構件不發生剛性位移,還需對硬管限制部分自由度.

求解共分為兩個載荷步,第一載荷步:卡鉗口向中間移動,使卡箍發生塑性變形.第二載荷步:撤銷卡鉗,使卡箍發生回彈.兩個載荷步求解選項的設置如下[5]:

1)打開大變形開關.(GEOM,ON)

2)打開自動時間步長(AUTOTS,ON),將默認時間步長設為200,最大時間步長設為2000000,最小時間步長為100.

3)設置記錄所有子步的所有結果項,便于后處理時觀察變形過程.

4)將求解器設為稀疏矩陣直接解法.稀疏矩陣直接求解法是建立在與迭代法相對應的直接消元法基礎上的.通過間接的方法(也就是通過迭代法)獲得方程的解.既然這種方法是以直接消元為基礎的,不良矩陣不會構成求解困難,收斂性能較好.

5)在求解選項的非線性面板中打開線性搜索功能,其他選項默認即可.

2 有限元計算結果分析

ANSYS軟件共將第一載荷步分為 134個子步,將第二載荷步分為54個子步求解.求解過程中曾多次出現收斂困難的情況,可通過調整接觸剛度等參數來測試.有時在結構剛度出現較大變化時(進入塑性階段、發生接觸等)會出現時間步長很短的情況,這是正常的.

2.1 卡箍最大應力及應力云圖分析

當卡鉗上的夾緊力F趨于1700 N,此時較小的位移改變量將導致很大的夾緊力變化,在此處也較難收斂,須細化載荷子步.如圖3所示,當卡鉗作用力F為1700 N時(正常工作狀態),卡箍整體多處出現塑性變形,最大應力位于卡箍耳朵與卡鉗接觸的邊緣位置,大小為424.5 MPa,小于該合金的強度極限520 MPa.

當卡鉗夾緊力達到1700 N后,再將該載荷卸掉,如圖4所示,卡箍整體進行回彈,整體結構的應力均有所降低.

2.2 夾緊力分析

圖5為1700 N的卡鉗作用力下,硬管表面壓力.圖中采用柱坐標系顯示X方向的應力(即硬管表面壓力),從圖中可以看出,卡箍投影處的壓力均在3 MPa以上,且分布比較均勻,卡箍耳朵所對應的位置出現最大壓力,約為6.9 MPa.該壓力作用下軟管和硬管均不會破壞.

圖5 F=1700 N時硬管表面壓力分布圖

圖6為撤掉卡鉗作用力后硬管的表面壓力,從圖中可看出,卡箍所產生的收緊力最小為1 Mpa,大部分位于2～3 MPa左右,最大值依然出現在卡箍耳朵所對的位置.該收緊力滿足卡箍的使用需求.

圖6 F減小至零時硬管表面壓力分布圖

3 結論

1)單耳內襯環卡箍所產生的夾緊力滿足實際需要,應力分布均勻,具有 360°可靠密封的特點.

2)該卡箍具有足夠的強度,雖然打孔連接的位置在夾緊力較大時出現塑性變形,但離其抗拉強度極限還有一定距離.

3)ANSYS與其他CAD軟件的結合,可用來建立更加符合實際的復雜的三維幾何模型,這種三維模型的分析較常用的二維分析能獲得更加精確的解.

4)ANSYS分析非線性問題(尤其是接觸),收斂性能的好壞和結果的準確度很大程度取決于計算模型是否合理(參數的設置、約束的施加方法等).

[1]方建軍,李玏一,匡吉新,等.機械設計與應用:Pro/ENGINEER Wildfire技巧與范例[M].北京:化學工業出版社,2004.

[2]郝 偉,張 洪,郝永福.有限元法在接觸問題中的應用[J].機械管理開發,2005(2):49-50.

[3]張立新.ANSYS 7.0基礎教程[M].北京:機械工業出版社,2004.

[4]尚曉江,邱 峰,趙海峰,等.ANSYS結構有限元高級分析方法與范例應用[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[5]邢靜忠,王永崗,陳曉霞,等.ANSYS 7.0分析實例與工程應用[M].北京:機械工業出版社,2004.