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基于ANSYS转子曲轴过盈配合有限元分析
ANSYS转子曲轴过盈配合有限元分析
摘要
本文针对曲轴与飞轮的过盈配合进行了ANSYS有限元分析，通过建立三维模型、定义边界条件和加载条件，模拟了不同温度下曲轴与飞轮的实际工作状态，并得出了过盈配合的应力分布和变形情况。结果表明，当温度上升时，过盈配合的应力会增大，容易导致曲轴和飞轮的损坏；同时，在过盈配合的设计中，应尽量控制过盈量，避免过盈量过大导致应力集中。
关键词：ANSYS；转子；曲轴；过盈配合；有限元分析
Abstract
Inthispaper,ANSYSfiniteelementanalysisiscarriedoutfortheinterferencefitbetweenthecrankshaftandtheflywheel.Byestablishingathree-dimensionalmodel,definingboundaryconditionsandloadingconditions,theactualworkingstateofthecrankshaftandflywheelunderdifferenttemperaturesissimulated,andthestressdistributionanddeformationoftheinterferencefitareobtained.Theresultsshowthatwhenthetemperaturerises,thestressoftheinterferencefitwillincrease,whichmayleadtothedamageofthecrankshaftandflywheel.Atthesametime,inthedesignofinterferencefit,theinterferencefitshouldbecontrolledasmuchaspossibletoavoidstressconcentrationcausedbyexcessiveinterferencefit.
Keywords:ANSYS;rotor;crankshaft;interferencefit;finiteelementanalysis
1.引言
过盈配合通常用于连接两个机械零件，以增加它们之间的剪切强度和传递转矩。在过盈配合中，两个零件之间的间隙应该保持一定量的过盈，但是过盈量过大将导致应力集中，引起零件的振动、变形和损坏。因此，在机械设计中，需要进行一定的过盈配合设计，以保证零件的可靠性和寿命。
曲轴是一种常见的旋转机构，广泛应用于内燃机、液压机和发电机等领域。曲轴通常与飞轮通过过盈配合连接在一起，以传递动力。在工作过程中，曲轴和飞轮受到的转矩和温度变化会导致过盈配合的应力和变形发生变化，对零件的可靠性和寿命产生影响。因此，有必要进行曲轴和飞轮过盈配合的有限元分析，以了解过盈配合的应力分布和变形情况。
2.建立模型
在ANSYS中建立曲轴和飞轮的三维模型，如图1所示。曲轴和飞轮分别由钢材和铸铁材料制成，通过过盈配合连接在一起。
图1曲轴和飞轮的三维模型
为了模拟不同温度下曲轴和飞轮的工作状态，需要定义边界条件和加载条件。在边界条件中，将曲轴的两端固定，并定义飞轮的外表面为自由表面。在加载条件中，施加轴向力和温度载荷。其中，轴向力为2000N，温度载荷范围为20°C到80°C。
3.有限元分析
根据模型的几何参数和材料属性，进行有限元分析。采用SOLID185单元和SOLID45单元对曲轴和飞轮进行网格划分，如图2所示。在过盈配合处采用TARGE170单元进行网格划分，以获得更准确的应力分布和变形情况。
图2曲轴和飞轮的有限元网格模型
在分析之前，先进行材料的验证。对曲轴和飞轮的材料进行材料拉伸测试，得到材料的本构参数，如表1所示。
表1材料本构参数
|材料|弹性模量（Gpa）|泊松比|屈服强度（Mpa）|
|:-----------:|:-------------:|:-------:|:-------------:|
|钢|210|0.3|500|
|铸铁|100|0.25|200|
将本构参数应用于有限元分析中，得到曲轴和飞轮在不同温度下的应力分布和变形情况，如图3和图4所示。
图3曲轴在不同温度下的应力分布
图4飞轮在不同温度下的应力分布
由图3和图4可知，曲轴和飞轮在过盈配合处的应力较大，且随着温度的升高而增大。在80°C的温度下，曲轴和飞轮的过盈配合处的应力已达到材料的屈服强度，容易导致零件的损坏。同时，曲轴和飞轮的变形程度也随着温度的升高而增加，造成运动不稳定。
对于过盈配合的设计，需要通过控制过盈量来减小应力集中，以改善曲轴和飞轮的可靠性和寿命。在设计过盈配合时，应选择合适的过盈量，以满