CN105843999B - 一种花键联接抗侧滚扭杆强度分析和疲劳寿命校核方法 - Google Patents
一种花键联接抗侧滚扭杆强度分析和疲劳寿命校核方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种花键联接抗侧滚扭杆强度分析和疲劳寿命校核方法，步骤包括：1)建立几何模型；2)进行网格划分，在有限元分析软件中将花键齿对之间设置绑定约束并提交分析计算，得到初步计算结果；3)切割得到保留有花键齿对和退刀槽结构特征的子模型；4)针对子模型，进行网格划分，将子模型的花键齿对间网格实现共节点，将花键齿对间设置过盈接触，导入初步计算结果，在子模型的切割面上施加面力进行驱动并提交分析计算，得到子模型的最终计算结果；5)针对子模型的最终计算结果进行疲劳寿命校核。本发明能够保证有限元分析分析速度和分析精度，降低疲劳寿命校核费用，节约大量的研发成本。
Description
技术领域
本发明涉及花键联接抗侧滚扭杆强度分析和疲劳寿命校核技术，具体涉及一种用于花键联接抗侧滚扭杆的有限元仿真分析方法。
背景技术
高速动车组、客车等均采用了空气弹簧开改善车辆垂向振动性能，使车体侧滚振动的角刚度变得相对柔软，但这也使运行中车体的侧倾角角位移增大，带来严重的安全隐患。为此国内外高速客车转向架都在采用空气弹簧的同时设置有抗侧滚扭杆。抗侧滚扭杆由扭杆轴、扭转臂组成，其中扭杆轴是主要受力部件。当车体侧滚时，水平放置的两个扭转臂对于扭杆分别有一个相互反向的力与力矩的作用，使弹性扭杆承受扭矩而产生扭转弹性变形，与车体产生侧滚角角位移的方向相反，以约束车体的侧滚振动。扭杆轴与扭转臂的联接方式主要有过盈联接与花键联接。过盈联接一般采用温差的方法一次成型，工艺简单可靠，但不易拆卸，影响运营维护维修效率；花键联接一般由内花键和外花键组成，常应用于传递较大的转矩和定心精度要求高的静联接和动联接，采用花键联接则可以拆卸替换，且能更好地传递力矩。
目前在抗侧滚扭杆设计阶段，都会利用有限元分析技术进行强度分析和疲劳寿命校核。但是目前对抗侧滚扭杆进行有限元分析时，一般存在下述缺点：（I）由于扭杆轴和扭转臂上存在花键齿和退刀槽复杂结构特征，一般采用C3D4网格单元进行划分, 为了得到较为准确的结果、对网格进行细分，使结构的网格数量增加，造成网格数量大、计算效率低、分析求解时间长。（II）由于花键齿对接触面多，收敛性很差, 花键齿对之间采绑定约束的方法，影响分析精度，不能准确计算出花键齿和退刀槽处的应力值，计算准确度低。（III）现有的花键联接抗侧滚扭杆的疲劳寿命校核一般是在试验台上进行，抗侧滚扭杆的疲劳载荷设计为1000万次，试验台的加载频率一般为2Hz，因此，一套花键抗侧滚扭杆的疲劳寿命校核的时间为1388个小时，需要大量的时间和费用。综上所述，如何提高花键联接抗侧滚扭杆的分析效率，求解的准确性，降低疲劳寿命校核的费用，已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能够保证有限元分析分析速度和分析精度，降低疲劳寿命校核费用，节约大量的研发成本的花键联接抗侧滚扭杆强度分析和疲劳寿命校核方法用于花键联接抗侧滚扭杆的有限元仿真分析方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种花键联接抗侧滚扭杆强度分析和疲劳寿命校核方法，步骤包括：
1）建立花键联接抗侧滚扭杆的几何模型；
2）将所述几何模型采用C3D4网格单元进行网格划分；将进行网格划分后的几何模型在有限元分析软件中将花键齿对之间设置绑定约束并提交分析计算，得到所述花键联接抗侧滚扭杆强度的初步计算结果；
3）对所述几何模型进行切割，得到保留有花键齿对和退刀槽结构特征的子模型；
4）将所述子模型采用C3D8R网格单元进行网格划分；对进行网格划分后的子模型在有限元分析软件中将花键齿对间网格实现共节点，将花键齿对间设置过盈接触，导入所述初步计算结果，在所述子模型的切割面上施加面力进行驱动并提交分析计算，得到所述子模型的最终计算结果；
5）针对所述子模型的最终计算结果进行疲劳寿命校核。
优选地，所述步骤2）的详细步骤包括：
2.1）针对所述几何模型采用C3D4网格单元进行网格划分；
2.2）将进行网格划分后的几何模型导入有限元分析软件；
2.3）在所述有限元分析软件中，对所述几何模型采用C3D4网格单元进行网格划分，且将所述几何模型中花键齿和退刀槽部位的网格尺寸加密、其余部位的网格进行自由尺寸放大；
2.4）在有限元分析软件中对所述几何模型施加载荷和边界条件，针对所述几何模型在扭转臂上施加垂向载荷，约束安装座，将花键齿对间设置过盈接触，快速提交计算，得到所述花键联接抗侧滚扭杆强度的初步计算结果。
优选地，所述步骤3）中对所述几何模型进行切割具体是指在远离应力集中的部位进行切割，得到保留有花键齿对和退刀槽结构特征的子模型。
优选地，所述步骤5）具体采用fe-safe软件进行疲劳寿命校核。
优选地，所述步骤5）的详细步骤包括：将所述子模型的最终计算结果导入fe-safe软件并提取所述子模型的最终计算结果的每个分析步中最后一步的应力值；在fe-safe软件中设置疲劳载荷、载荷历程、疲劳寿命次数、表面粗糙度、材料参数、疲劳算法并提交计算，得到计算结果文件；将所述计算结果文件导入有限元分析软件中，查看寿命云图和应力强度因子云图FOS，所述应力强度因子云图FOS表征施加载荷的强度因子S，当强度因子S的值大于或等于1时，判定在当前的设计寿命条件下fe-safe软件中设置的疲劳载荷是安全的。
本发明花键联接抗侧滚扭杆强度分析和疲劳寿命校核方法具有下述优点：
1、本发明针对扭杆几何模型在有限元分析软件中采用C3D4网格单元进行网格划分，将花键齿对之间设置绑定约束并提交分析计算，得到花键联接抗侧滚扭杆强度的初步计算结果，能够控制网格数量，提高分析效率。
2、本发明采用子模型的方法进行二次计算，对扭杆几何模型切割得到子模型，保留花键齿对和退刀槽结构特征，采用C3D8R网格划分，并实现网格共节点，花键齿对之间采用过盈接触的方式，提高分析准确度，保证其有限元分析的分析效率。
3、本发明采用有限元的方法对抗侧滚扭杆进行疲劳寿命校核，降低疲劳寿命校核实验费用，节约大量的研发成本。
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本流程图。
图2为本发明实施例步骤1）建立的几何模型示意图。
图3为本发明实施例步骤2）网格化后得到的几何模型的网格模型。
图4为本发明实施例步骤3）切割得到的子模型示意图。
图5为本发明实施例步骤4）网格化后得到的子模型网格模型
图6为本发明实施例在子模型边界施加面力的设置界面示意图。
图7为本发明实施例在fe-safe中提取应力值的界面示意图。
图8为本发明实施例在fe-safe中定义载荷和加载历程的界面示意图。
图9为本发明实施例在fe-safe软件设置疲劳分析参数的界面示意图。
图10为本发明实施例中引用的材料的S-N曲线。
图11为本发明实施例分析得到的应力强度因子云图FOS。
图12为本发明实施例分析得到的寿命云图。
图13为本发明实施例种花键联接抗侧滚扭杆的断裂图。
具体实施方式
下文将以某花键联接抗侧滚扭杆为例，对本发明花键联接抗侧滚扭杆强度分析和疲劳寿命校核方法的具体实施方式进行进一步的详细说明。
如图1所示，本实施例花键联接抗侧滚扭杆强度分析和疲劳寿命校核方法的步骤包括：
1）建立花键联接抗侧滚扭杆的几何模型。
本实施例中，步骤1）具体是采用PTC Creo软件建立花键联接抗侧滚扭杆的几何模型。
如图2所示，本实施例中建立花键联接抗侧滚扭杆的几何模型包括扭杆轴1、安装座2和扭转臂3，扭杆轴1的两段均固定有一个安装座2，且安装座2上套设有一个扭转臂3，安装座2和扭转臂3之间设有花键齿对并采用花键联接，其中F表示为施加在花键联接抗侧滚扭杆上的两个扭转臂3上的扭力。
2）将几何模型采用C3D4网格单元进行网格划分；将进行网格划分后的几何模型在有限元分析软件中将花键齿对之间设置绑定约束并提交分析计算，得到花键联接抗侧滚扭杆强度的初步计算结果；
本实施例中，步骤2）的详细步骤包括：
2.1）针对几何模型采用C3D4网格单元进行网格划分；
2.2）将进行网格划分后的几何模型导入有限元分析软件；本实施例中，有限元分析软件具体采用Abaqus软件；
2.3）在有限元分析软件中，对几何模型采用C3D4网格单元进行网格划分，且将几何模型中花键齿和退刀槽部位的网格尺寸加密、其余部位的网格进行自由尺寸放大，得到的有限元模型如图3所示；通过将几何模型中花键齿和退刀槽部位的网格尺寸加密、其余部位的网格进行自由尺寸放大，能够有效控制网格数量，提高分析效率；
2.4）在有限元分析软件中对几何模型施加载荷和边界条件，针对几何模型在扭转臂上施加垂向载荷，约束安装座，将花键齿对间设置过盈接触，快速提交计算，得到花键联接抗侧滚扭杆强度的初步计算结果（Global_odb结果文件）。
3）对几何模型进行切割，得到保留有花键齿对4和退刀槽5结构特征的子模型。
基于圣维南定律，本实施例步骤3）中对几何模型进行切割具体是指在远离应力集中的部位进行切割，得到保留有花键齿对4和退刀槽5结构特征的子模型，如图4所示，退刀槽5为对安装座2加工时刀具从安装座2上逐渐抽离形成的斜槽。
4）将子模型采用C3D8R网格单元进行网格划分；对进行网格划分后的子模型在有限元分析软件（即Abaqus软件）中将花键齿对间网格实现共节点（如图5所示），将花键齿对间设置过盈接触，导入初步计算结果（Global_odb结果文件），在子模型的切割面上施加面力进行驱动（Surface tractions，如图6所示）并提交分析计算，得到子模型的最终计算结果（Sub_model.odb结果文件）。本实施例采用子模型的方法进行二次计算，对结构进行切割，保留花键齿对4和退刀槽5的结构特征，采用C3D8R网格单元划分，并实现网格共节点，花键齿对之间采用过盈接触的方式，能够有效提高分析的准确度。
5）针对子模型的最终计算结果（Sub_model.odb结果文件）进行疲劳寿命校核。本实施例中，步骤5）具体采用fe-safe软件进行疲劳寿命校核，本实施例采用fe-safe软件进行疲劳寿命校核替代在在试验台上进行疲劳实验，节约大量的时间和费用。
本实施例中，步骤5）的详细步骤包括：
5.1）将子模型的最终计算结果导入fe-safe软件并提取子模型的最终计算结果的每个分析步中最后一步的应力值，如图7所示，以分析步step1为例，分析步step1的最后一步为Increment6，则针对分析步step1提取Increment6的应力值；
5.2）在fe-safe软件中设置疲劳载荷、载荷历程、疲劳寿命次数、表面粗糙度、材料参数、疲劳算法并提交计算，得到计算结果文件，图8（a）和（b）为本发明实施例在fe-safe中定义载荷和加载历程的界面示意图，参见图8（a），其中载荷选择Dataset 1中应力值为：正向应力（Direct Range）为738 to -673MPa，剪切应力（Shear Range）为94 to -89 MPa，参见图8（b），载荷加载历程（Stress Dataset 1）为正弦加载（1，-1），疲劳寿命（Repeats）设定为1000万次；图9为本发明实施例在fe-safe软件设置疲劳分析参数的界面示意图，其中表面粗糙（Surface Finish）为（1.6～4 μm），扭杆的材料（Material）选用高弹簧钢52CrMoV4，疲劳算法（Algorithm）采用BrownMiller准则（Morrow平均应力修正）。本实施例中，花键联接抗侧滚扭杆材料选用52CrMoV4钢，分析中引用的S-N曲线如图10所示，其中横坐标为循环次数，纵坐标为应力值；
5.3）将计算结果文件导入有限元分析软件中，查看寿命云图和应力强度因子云图FOS，应力强度因子云图FOS表征施加载荷的强度因子S，当强度因子S的值大于或等于1时，判定在当前的设计寿命条件下fe-safe软件中设置的疲劳载荷是安全的。参见图11所示本实施例分析得到的应力强度因子云图FOS，其中扭杆花键处最小应力强度因子为0.909，参见图12所示实施例分析得到的寿命云图，扭杆花键处最小应力强度因子对应的疲劳寿命为344万次疲劳加载，低于初始设计寿命1000万次，与实际试验较为吻合（实际试验中完成410万次疲劳加载后，扭杆轴1从退刀槽处5发生断裂，如图13所示）。
需要说明的是，本实施例只列举了一种花键联接抗侧滚扭杆的强度分析和疲劳寿命校核实施例子，但是在本实施例方法显然也适用于任何其他结构的花键联接抗侧滚扭杆的强度分析和疲劳寿命校核，故在此不再赘述。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种花键联接抗侧滚扭杆强度分析和疲劳寿命校核方法，其特征在于步骤包括：
1）建立花键联接抗侧滚扭杆的几何模型；
2）将所述几何模型采用C3D4网格单元进行网格划分；将进行网格划分后的几何模型在有限元分析软件中将花键齿对之间设置绑定约束并提交分析计算，得到所述花键联接抗侧滚扭杆强度的初步计算结果；
3）对所述几何模型进行切割，得到保留有花键齿对和退刀槽结构特征的子模型；
4）将所述子模型采用C3D8R网格单元进行网格划分；对进行网格划分后的子模型在有限元分析软件中将花键齿对间网格实现共节点，将花键齿对间设置过盈接触，导入所述初步计算结果，在所述子模型的切割面上施加面力进行驱动并提交分析计算，得到所述子模型的最终计算结果；
5）针对所述子模型的最终计算结果进行疲劳寿命校核；
所述步骤2）的详细步骤包括：
2.1）针对所述几何模型采用C3D4网格单元进行网格划分；
2.2）将进行网格划分后的几何模型导入有限元分析软件；
2.3）在所述有限元分析软件中，对所述几何模型采用C3D4网格单元进行网格划分，且将所述几何模型中花键齿和退刀槽部位的网格尺寸加密、其余部位的网格进行自由尺寸放大；
2.4）在有限元分析软件中对所述几何模型施加载荷和边界条件，针对所述几何模型在扭转臂上施加垂向载荷，约束安装座，将花键齿对间设置过盈接触，快速提交计算，得到所述花键联接抗侧滚扭杆强度的初步计算结果。
2.根据权利要求1所述的花键联接抗侧滚扭杆强度分析和疲劳寿命校核方法，其特征在于，所述步骤3）中对所述几何模型进行切割具体是指在远离应力集中的部位进行切割，得到保留有花键齿对和退刀槽结构特征的子模型。
3.根据权利要求1或2所述的花键联接抗侧滚扭杆强度分析和疲劳寿命校核方法，其特征在于，所述步骤5）具体采用fe-safe软件进行疲劳寿命校核。
4.根据权利要求3所述的花键联接抗侧滚扭杆强度分析和疲劳寿命校核方法，其特征在于，所述步骤5）的详细步骤包括：将所述子模型的最终计算结果导入fe-safe软件并提取所述子模型的最终计算结果的每个分析步中最后一步的应力值；在fe-safe软件中设置疲劳载荷、载荷历程、疲劳寿命次数、表面粗糙度、材料参数、疲劳算法并提交计算，得到计算结果文件；将所述计算结果文件导入有限元分析软件中，查看寿命云图和应力强度因子云图FOS，所述应力强度因子云图FOS表征施加载荷的强度因子S，当强度因子S的值大于或等于1时，判定在当前的设计寿命条件下fe-safe软件中设置的疲劳载荷是安全的。
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