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叉頭斷裂是軋機主傳動系統(tǒng)的較常見事故。由于突然斷裂，往往釀成重大設備事故，導致長時問停產(chǎn)，經(jīng)濟損失十分嚴重。某初軋廠的初軋機是從國外引進的設備，在使用過程中也出現(xiàn)這種事故。為進一步弄清斷裂原因，對含裂紋部件進行壽命預測，避免同類事故再次發(fā)生，有必要對已經(jīng)國產(chǎn)化的叉頭進行應力有限元分析。
本文選用六面體和三棱柱體三維塊單元作為構成叉頭的形休。這兩種單元配合使用既能保證計算精度，又能較好地適應復雜輪廓表面的幾何突變。叉頭的幾何形狀較為復雜，叉n的邊緣是應力比較集中的地方，系由一圓臺體與圓柱休相貫而構成。為很好地模擬該處的幾何變化，保證分析精度，木文使用文獻中提出的關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力分布是極為復雜的。為了避免周期長，成木高的光彈試驗測試，木文采用了文獻中提出的方法一切線矢量加載法。該法通過將成對的集中力沿切線方向加在周邊節(jié)點上，實現(xiàn)了對所傳遞扭矩的等效模擬。
因為在整個叉頭與銅汾塊相接觸的表面應力的分布是不均勻的。所以如果將叉頭的這些表而簡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。當然接觸問題屬于邊界的非線性問題，計算時間要成倍增加�？紤]到初軋機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)點上加限制軸向位移(y方向)的約束，同時在適當?shù)奈恢孟拗坪头较虻奈灰啤?br />
計算扭矩為M=39240Nm，材料的彈性模量E=194GN/m，泊松比0.02。所示計算模型的節(jié)點總數(shù)為5332，有4592個等參三維等參塊單元和106個邊界單元。共求解15402個方程。選用通用的微機有限元分析軟件，在486/33微機上運行時間為31.6925分鐘。經(jīng)過優(yōu)化的帶寬為913。僅應力和位移的輸出結果就占用硬盤空間9901Mb。采用局部最小二乘法把應力從高斯點外推到節(jié)點而獲得協(xié)個節(jié)點的確定值。
叉口處應力變化比較復雜，取其一半，表面Mises應力等位線如圖所示。應力密集且值大的部分正是與銅漪塊接觸受力區(qū)域。最大主應力如圖所示。從叉頭的整體變形和應力分布規(guī)律可以看出，分析所得出的結果與文獻給出的同類叉頭有限元分析結果是一致的。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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