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叉頭斷裂是軋機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的較常見事故。由于突然斷裂，往往釀成重大設(shè)備事故，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)問停產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)損失十分嚴(yán)重。某初軋廠的初軋機(jī)是從國(guó)外引進(jìn)的設(shè)備，在使用過程中也出現(xiàn)這種事故。為進(jìn)一步弄清斷裂原因，對(duì)含裂紋部件進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，避免同類事故再次發(fā)生，有必要對(duì)已經(jīng)國(guó)產(chǎn)化的叉頭進(jìn)行應(yīng)力有限元分析。
本文選用六面體和三棱柱體三維塊單元作為構(gòu)成叉頭的形休。這兩種單元配合使用既能保證計(jì)算精度，又能較好地適應(yīng)復(fù)雜輪廓表面的幾何突變。叉頭的幾何形狀較為復(fù)雜，叉n的邊緣是應(yīng)力比較集中的地方，系由一圓臺(tái)體與圓柱休相貫而構(gòu)成。為很好地模擬該處的幾何變化，保證分析精度，木文使用文獻(xiàn)中提出的關(guān)于有相貫線形休的網(wǎng)格劃分方法劃分網(wǎng)格，如圖1所示。
叉頭與銅滑塊接觸表而的接觸應(yīng)力分布是極為復(fù)雜的。為了避免周期長(zhǎng)，成木高的光彈試驗(yàn)測(cè)試，木文采用了文獻(xiàn)中提出的方法一切線矢量加載法。該法通過將成對(duì)的集中力沿切線方向加在周邊節(jié)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)所傳遞扭矩的等效模擬。
因?yàn)樵谡麄�(gè)叉頭與銅汾塊相接觸的表面應(yīng)力的分布是不均勻的。所以如果將叉頭的這些表而簡(jiǎn)單地用限制沿其外法線方向的位移處理，顯然就不能反映這種實(shí)際情況。木文采用邊界單元來模擬這種接觸。本文的分析著重揭示叉頭因強(qiáng)度問題而出現(xiàn)的斷裂破壞如果考慮到磨損問題，或者是銅滑塊的斷裂問題，在此用接觸單元更為適合。當(dāng)然接觸問題屬于邊界的非線性問題，計(jì)算時(shí)間要成倍增加�？紤]到初軋機(jī)萬向接軸傳遞扭矩夾角變化幅度較大，偏于安全起見，取夾角變化的最大值=5.820。在加載荷的端面的節(jié)點(diǎn)上加限制軸向位移(y方向)的約束，同時(shí)在適當(dāng)?shù)奈恢孟拗坪头较虻奈灰啤?br />
計(jì)算扭矩為M=39240Nm，材料的彈性模量E=194GN/m，泊松比0.02。所示計(jì)算模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為5332，有4592個(gè)等參三維等參塊單元和106個(gè)邊界單元。共求解15402個(gè)方程。選用通用的微機(jī)有限元分析軟件，在486/33微機(jī)上運(yùn)行時(shí)間為31.6925分鐘。經(jīng)過優(yōu)化的帶寬為913。僅應(yīng)力和位移的輸出結(jié)果就占用硬盤空間9901Mb。采用局部最小二乘法把應(yīng)力從高斯點(diǎn)外推到節(jié)點(diǎn)而獲得協(xié)個(gè)節(jié)點(diǎn)的確定值。
叉口處應(yīng)力變化比較復(fù)雜，取其一半，表面Mises應(yīng)力等位線如圖所示。應(yīng)力密集且值大的部分正是與銅漪塊接觸受力區(qū)域。最大主應(yīng)力如圖所示。從叉頭的整體變形和應(yīng)力分布規(guī)律可以看出，分析所得出的結(jié)果與文獻(xiàn)給出的同類叉頭有限元分析結(jié)果是一致的。這說明本文斯建立的分析模型以及載荷、約束方式是合理的。
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