基于ABAQUS 的銷軸聯接的三維有限元分析

楊家軍 王建波 張盛華

(1．領新(南通)重工有限公司，江蘇 南通 226017;2．南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226019)

0 引言

銷軸連接常用于兩個結構構件之間的連接，以滿足構件之間相對轉動的需要。銷軸連接也是挖泥船維修吊機臂架系統中主要的連接方式之一［1］。工程上，各構件端頭或其他連接部位會預留有耳板，采用銷軸將一側耳板與另一側耳板連接起來，銷軸與耳板之間可以發生相對轉動，相互之間的載荷通過銷軸和耳板的接觸面來傳遞。因此，銷軸聯接的應力與應變狀況直接影響整機的運行安全性、可靠性及疲勞強度。由于工況的多變，銷軸連接處受力形式復雜，僅用傳統的力學方法很難求解，且計算復雜，計算精度較低，用有限元法進行相關結構強度和剛度分析，不僅準確、經濟、高效，又能得出構件在各種工況下的應力分布情況。本文采用ABAQUS軟件，針對挖泥船維修吊機四種最不利工況，建立了吊機的整體模型，通過局部細化網格，重點分析銷軸及耳板處的受力情況［2］，軸桿與耳板的連接采用接觸分析來實現有限元仿真，對各臂的頭部、根部、中樞連接銷軸分別進行了力學分析，同時也對耳板連接部進行了強度的校核。

1 工程概況

挖泥船維修吊機的主要部件有中樞、主臂架、副臂架(折疊臂)、鉸盤、滑輪、下油缸臂和上油缸臂等，其中主臂架自重為7．55 t，副臂架自重為4．87 t，中樞自重為2．62 t。其有限元模型見圖1。

圖1 挖泥船維修吊機有限元模型

為適應實際作業的需要，挖泥船維修吊機實際工作時會有很多工況。主要體現在主臂架相對中樞的夾角不同、副臂架相對主臂架的夾角不同上，其中兩者之間的夾角變化通過油缸的伸縮來實現。一般情況下，按起吊半徑和重量只需選取四種典型工況進行計算。工況一:6 m-15 t;工況二:10 m-15 t;工況三:23．4m-4 t;工況四:26．7 m-4 t。

2 幾何模型的建立

首先采用CAD軟件進行了挖泥船維修吊機的三維幾何模型，再根據設計實際情況，對模型進行了幾何簡化處理。最后將三維線框模型導入ABAQUS軟件進行有限元建模。

3 有限元模型的建立和處理

3．1 有限元模型的建立

根據吊臂結構和有限元建模的特點，采用實體單元、板單元、桿單元來模擬。上下油缸臂采用的是直徑0．14 m的實心圓桿，中樞、主、副臂架主體采用板單元結構。除油缸外的鉸接部分外，其余鉸接部位采用接觸單元處理，因而對于鉸點軸桿、中樞—主臂架鉸點處、主臂架—副臂架鉸點處，采用實體單元建模。

3．2 載荷及邊界條件處理

各部件所用鋼材為Q345鋼。相應材料參數為:彈性模量:E=2．06 ×1011Pa;泊松比:μ =0．3;密度 ρ=7 850 kg/m3。重力加速度為g=10 m/s2。計算載荷包括:結構自重、起吊重量、試驗載荷系數(取K=1．2)。荷載組合為:結構自重+起吊重量×試驗荷載系數。計算時未考慮起吊過程中的動力響應。鉸車和吊點取其受力點為有限元節點，與相應吊臂處耦合并施加荷載。上下油缸臂采用桿單元模擬，與支座處的臂架支座位置耦合。支座底部都采取全部約束，起吊重量施加在耦合節點上。

3．3 ABAQUS簡介及接觸部分說明

ABAQUS是應用廣泛的有限元軟件，其主要優點是具有強大的非線性分析功能［3，4］。ABAQUS能夠自動選擇合適的載荷增量和收斂準則并在分析過程中不斷調整這些參數值，以確保獲得精確結果。

在ABAQUS/Standard分析中定義接觸時，可以選擇點對面離散方法和面對面離散方法。面對面離散方法會為整個從面建立接觸條件，在接觸分析過程中同時考慮主面和從面的形狀變化。可能在某些節點上出現穿透現象，但程度不會很嚴重。

銷軸和耳板的接觸是圓柱外表面和圓環內表面的接觸，在創建接觸屬性的過程中，在切向特性欄內選擇摩擦，在“Friction coefficient”摩擦系數欄內填0．01，在“Normal Behavior”法向特性欄內選擇“Hard Contact”硬接觸。約束銷軸的軸向位移［5］。

4 計算結果與分析

通過對吊臂有限元模型的加載計算，得到四種工況下有限元應力云圖，重點給出工況四的Mises應力云圖(見圖2)，其他工況的分析結果見表1。

表1 四種工況下各構件銷軸處的M ises應力值 MPa

從表1的分析結果來看，吊機銷軸連接處的應力水平整體不高。其中工況二、工況三在中樞耳板處出現了相對較大的應力，工況三、工況四在尾部耳板處的應力明顯高于其他工況，但都遠低于材料的允許應力值。在四種工況下，上油缸臂上鉸點處最大應力不是出現在油缸臂頂部，而是出現在鉸接耳板與副臂架主體過渡的地方(見圖3)，應力值的大小一方面和過渡圓角有關，同時也和此處的焊接質量密切相關，實際工程中應引起足夠重視。

圖2 工況四下臂架耳板處M ises應力云圖

圖3 上油缸臂上鉸點處M ises應力云圖

5 結語

1)采用非線性有限元法，較為準確的描述了挖泥船維修吊機中樞、臂架銷軸連接處的應力分布狀況。不同工況下耳板及軸桿的應力值都不大，說明耳板和軸桿的設計是合理的。2)在挖泥船維修吊機耳板內環、臂架頭部和臂架主體連接的地方會存在應力集中情況，為延長使用壽命和提高安全儲備，應對這些部位進行結構或工藝處理。3)挖泥船維修吊機耳板前端軸孔處的應力要明顯高于耳板根部，是構件破壞最先發生的部位。

［1］李娜娜，石現峰，許宏偉．銷連接受力特征的數值仿真［J］．石家莊鐵道學院學報，2007，20(4):104-107．

［2］顏東煌，劉雪峰．銷軸連接結構的接觸應力分析［J］．工程力學，2008，25(1):229-233．

［3］莊 茁．基于ABAQUS的有限元分析和應用［M］．北京:清華大學出版社，2009．

［4］周芝庭，馮建芬，谷春笑．基于ABAQUS的有限元螺栓接頭的接觸有限元分析［J］．金陵科技學院學報，2008，24(4):9-12．

［5］蔣友寶，馮 健，孟少平．銷接節點考慮接觸特性的設計討論［J］．公路交通科技，2006，23(9):76-80．