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基于ANSYS的汽车法兰盘检测仿真分析

2024-04-03 10 上传者：管理员

摘要：汽车的法兰盘作为重要的连接部分，需要承受很大的载荷，其连接强度对整个汽车的运转具有决定性的影响。所以，对于它的检测需要遵循科学合理的准则。本文通过使用SolidWorks工具创建了汽车法兰盘检测装置的三维模型，并提取出其中一类法兰盘与通规头的模型保存为.x＿t格式的文件，将其输入到Ansys软件里进行网格划定，得到离散化的有限元分析模型。借助Workbench平台对通规头与法兰盘进行了有限元模拟，从而获取到了法兰盘内部与通规头的形变及应力分布图像，并对它们应力反应是否符合工厂的加工的标准进行了评估。

关键词：
三维建模
有限元分析
汽车法兰盘
联接方式
通规头
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随着科技的不断进步，汽车也在持续的更新换代，据统计，全国有90%的家庭至少拥有一台汽车。在此背景下，现阶段汽车的发动机与变速器的连接形式都是分体式联接，进而导致变速器与发动机之间需要通过传动轴去传递动力，其联接方式是通过法兰盘与传动轴进行联接，实现动力的传递和输入[1],所以法兰盘的联接与紧固尤为重要。通过法兰盘内螺纹检测机构，对法兰盘检测不合格时的状态进行仿真分析，验证其是否满足设计要求。

法兰盘作为汽车传动的关键核心部件，与很多重要零件高度集成，对整车的动力传动起着关键作用。在法兰盘的转动期间，因受到循环负载的影响，若螺纹与螺纹之间匹配不当，则很容易易导致螺纹的疲劳破坏与螺栓螺纹的松动断裂。因此，在螺纹的检测阶段，要着重对内螺纹的接触压力与变形进行深层次的研究，它们直接决定了法兰盘的联接紧固能力及其稳定性[2]。然而，由于螺纹失效涉及到的因素众多，不好进行针对性的确定，使得确定螺纹失效原因的难度增加。传统的检测方法是人工手持通规与止规进行检测，但无法确定具体哪里出了问题，只能人工利用电脑计算基于弹塑性力学的原理和经验公式构建的数学模型，通过一系列转换和调整参数来获得最终结果[3]。相比之下，有限元方法因为可以高效、精确且可信赖地处理各种螺纹配合的问题而被广泛使用。特别是在螺纹接触方面，它有效解决了通规头与内螺纹传递时所遇到的接触设定类难题以及施加给内螺纹的约束条件的难题，从而得出较为正确的螺纹接触应力和应变数据，这有助于进一步优化设计方案或验证其正确性。有限元方法能够准确、快速、直观的反应出计算结果，进而可以准确的指出问题所在，避免了建立复杂的数学模型以及实验耗时等问题，是一种较先进的计算方法。梁天[4]等开始探索三代轮毂轴承法兰内圈减重对约束模态频率的影响，基于有限元的方法对法兰减重状态的法兰内圈进行约束模态分析，对比分析不同情况的法兰内圈的约束模态频率和振型得出了法兰减重对约束模态频率影响较小，但法兰减去的重量较大的话，其振型也受到一定的干涉的结论。钟流发[5]等利用ANSYS APDL有限元瞬态热分析法，对法兰盘在感应加热、水冷淬火过程建立温度场模型，根据法兰盘沿径向的温度分布情况，进一步分析淬硬层深及内孔表面热应变，最终得出淬硬层深度最大误差为2.50%,内孔变形最大误差为7.27%,证明所建模型符合实际要求误差<10%的规定。张海兵[6]采用超声表面波检测技术对法兰盘其进行检测，给出了法兰盘的超声表面波检测方法，同时采用磁轭法进行了复检验证，最终得出超声表面波法对于法兰盘的检测具有较大的优势。

本文以通规头与法兰盘的内螺纹为研究对象，应用SolidWorks软件建立法兰盘检测装置的三维模型，然后导入Workbench建立多体动力学虚拟样机，通过仿真分析获取在遇到不合格的工件时通规头的变形与应力。

1、三维模型的建立

图1 法兰盘内螺纹检测装置三维模型

对于法兰盘内螺纹检测装置来说，其结构由四个主要的部分组成：即箱体、工件固定块、检测装置和三坐标龙门架。首先，需要构建箱体的外观模型；其次，根据各个法兰盘工件去设计相对应的工件固定装置；之后，挑选合适的三坐标龙门架；最后，设计通规头运行装置，按照从大到小的顺序去设计。具体而言，可以通过拉伸、切除和旋转等命令去创建这些部件的大致形状，通过拔模、抽壳等方式，可以进一步完善内部空间的设计。接下来，运用异形孔向导中的螺纹工具，可以生成相应的螺纹孔。最后，将设计好的零部件在装配界面通过同心、平行等方式进行配合。完成上述工作后，就能够得到如图1所示那样的法兰盘检测装置的三维模型了。

现有的内螺纹的检测方式，一般分为接触法和非接触法两种，接触法包括三针法和螺纹量规测量法；非接触法包括机器视觉、激光扫描等[7]。由于三针法和非接触法的实验复杂程度和成本较高，因此大多数人都选用螺纹量规测量法去测量螺纹是否合格，本文选该厂家所提供的四孔圆形法兰盘为参考实例，其法兰盘的参数如表1所示。通规头通过SolidWorks软件中异性孔向导中的螺纹所设置，公称直径为8mm, 螺距为1.25mm, 再进行装配完成检测装置的建模，所绘制的三维图如图2所示。

表1 圆形法兰盘参数

图2 通规头与法兰盘检测的三维模型

本研究采用由简到繁的组装策略来装配整个设备，从基础的箱体开始，逐步把各个零件依次放入装配，直至全部安装完毕。具体步骤包括以下几个部分：首先创建新的设计图纸；其次，引入箱体进入组装环境并予以固定；接下来，按照顺序将各种法兰盘固定件、龙门支架、挂耳以及定位销等各部件一一纳入其中，主要利用如同轴度配合、平行或者垂直等方式将其进行组合；最终，将各个零部件相互匹配，从而完成了整套设备的组装任务。此外，还可通过调整颜色、修改透明度和显示隐藏线条等手段使其更为直观易懂。对于螺纹与螺纹间的配合，SolidWorks具备冲突检测的功能，可用于识别装配物内的零部件是否存在碰撞和干涉问题；最常出现的冲突情况通常发生在通规头螺纹和法兰盘螺纹之间，一般是因为螺距设置不当所致，需对此类三维图形进行相应的调整；关于通规头的运动模拟，该零件由电机驱动，经由联轴器将扭矩传递至通规头；借助插件SolidWorksmotion, 能对其进行运动模拟分析，设定好通规头转动的方向和速度之后，针对通规头施加向上的负荷，即可达到模拟遇到不合格法兰盘时运行的效果。经过此种方式的运动模拟，可以进一步了解产品的构造，同时也能作为优化参数的重要参考。

2、ANSYS内螺纹加载接触动态特性分析

利用有限元分析法来研究螺纹与螺纹接触运动的负载接触过程，具体步骤如下：1)构建检测法兰盘内螺纹的三维模型；2)将该建模导入到有限元软件系统中；3)调整具体位置的材质属性；4)划定有限元网格；5)实施负荷和约束；6)求解；7)结果评估。在本文中，选用Workbench2022进行有限元计算分析。将SolidWorks软件创建的三维模型solid装配文档转换为. x _ t格式，这种格式可以一次性把装配体以及相应的接触与配合导入Workbench软件[6]。在不改变模型组装的前提下，所有部分都被视为单独的零件进行处理。

将通规头与圆形法拉盘的三维模型导入Workbanch以后，一般要首先进行有限元软件的几何编辑模块对一些多余的接触和用不到的模型部件进行一些删减，使得分析过程更加快速且精确。将法兰盘的材料定义为WCB碳钢，这是通过铸造得来的碳钢[8]。该种材料能够在撞击、弯曲和高负荷条件下保持韧性，因此经常作为各类机械设备中的关键部件，其具有较强的韧性、较大的疲劳极限并且还有极高的静态强度。通规头的材料设为合金钢，对于通规头来说，设置为3对接触对。螺纹与螺纹之间的接触、尖头部与通规杆之间的接触、通规杆与法兰盘无螺纹处的接触，既能在遇到不合格的螺纹时传递压力，又做相互运动，且螺纹与螺纹之间和通规杆与无螺纹法兰盘处设有摩擦力，摩擦系数按照钢材之间摩擦设定为0.15,界面处理为“调整至接触”,尖头与通规杆之间为绑定接触，对通规杆添加相对于法兰盘连接的旋转连接副，以确保动态分析过程中通规杆的转动。

图3 通规头与法兰盘的网格划分图

图4 通规头接触面网格细化图

有限元法采用的四面体单元进行网格划分和计算，对通规头和法兰盘的总体网格划分采用的网格大小为5mm, 如图3所示。完成整体网格划分后对螺纹与螺纹间各个接触面位置的网格进行分层细化，网格大小为如图4所示。网格划分完后网格数量为70536个，节点数量为115357个。

完成网格划分后对通规杆添加运动工况，在通规杆上添加旋转连接副设置为每秒转动50度，在螺纹处再设置一个与旋入方向相反的力，大小设置为50N。将圆形法兰盘的地面设置一个固定副，如图5所示。

图5 通规头与法兰盘的载荷及连接副

3、通规杆螺纹有限元分析计算结果

依照以上步骤设定好各个环节之后，就可以开始计算了。完成了预处理之后，接下来就需要解决模型解除后的问题。最后的阶段需要检查和评估计算成果。对于螺纹传递效率而言，在遇到不合格法兰时，螺纹齿根压力特性的表现是评价该机构是否合格的重要依据。通过观察螺纹与螺纹接触时的应力与形变状况，可以发现，螺纹齿的主要压力及形变都集中在了螺纹齿的根部。这里主要查看通规杆螺纹的变形、接触应力。通规杆螺纹的变形量直观地表现了螺纹在遇到不合格法兰时受力后的行为。若变形量过大的话，则说明通规杆螺纹承载过大，或法兰盘螺纹刚度过小。但是变形量并不是决定螺纹是否破坏的唯一因素。变形量统称为应力之和，有些位置变形量可以很大，有些位置的变形量也很小，若应变量可以是0,应力也是0,则此处材料就不会破坏。如图6所示，便是在设定工况下通规杆的变形量云图。从云图中可以看出通规杆中杆的中心的变形量最小，螺纹外沿的变形量最大，这与所施加工约束和载荷是相匹配的，通规杆中螺纹的最大变形量为0.11mm。

图6 通规杆变形量云图

当通规杆中的螺纹承受的载荷越大时，由此产生的应力也就越大，但是由于接触应力受螺纹面接触位置曲率半径的影响，各个螺纹面应力的大小不一定和所承受的载荷相一致。图7是由有限元软件计算得到的螺纹杆螺纹与法兰盘螺纹的接触应力云图。图中反应了接触区的位置、最大接触应力位置和接触应力的分布。

图7 通规杆接触应力云图

从图中可以看出接触区沿着螺纹齿向方向，呈现出一个区域。从区域中部向外，其接触应力值逐渐增大。最大应力值出现在该区域的螺纹齿端头处。其呈现规律是和实际情况是相符合的。

4、结论

本文介绍了通规杆螺纹与法兰盘螺纹的加载接触分析，所采用的研究方法为有限单元法。通过计算接触应力得出了螺纹的的应力分布情况与螺纹的变形量，另外，在有有限元方法中，网格的化分对最大应力值的影响也较大，因此对需要进行详细分析的地方的网格进一步细化。从而使其收敛。本文通过运用有限单元法对设计完成的通规头螺纹与法兰盘螺纹进行接触强度的校核。如果强度校核不通过或结果过于安全，则重新进行设计调整与力的分析，直到设计达到一个较优的状态。利用软件SolidWorks软件建立了法兰盘检测的实体模型，将通规头与法兰盘配合好后导入到ANSYS软件中进行网格划分。利用Workbench平台对通规头螺纹与法兰盘螺纹进行有限元计算。研究结果显示，通规头螺纹的最大形变量达到0. 11mm, 而其最大应力可以达7.05MPa, 这个数值远低于规定的应力值，因此该阶段的法兰盘检测装置能够满足实际使用需求。

参考文献:

[1]郭秋艳,庞浩,邓磊.基于ANSYS的轿车轮毂轴承内法兰盘的力矩刚性分析[J].机械设计与制造.2021,(7):210-212.

[2]莫易敏,何超,高勇,等.负游隙对轮毂轴承摩擦力矩的影响研究[J].机械设计与制造.2019,1(1):16-19.

[3]李宇,赵博宁,李国坚.汽车消声器连结法兰盘冲压成形工艺参数优化[J].内燃机与配件,2023(19):33-35.

[4]梁天,雷开印,夏宗佑等.三代轮毂轴承法兰不同减重结构的模态分析[J].轴承:1-8[2023-12-27].

[5]钟流发,刘祚时.基于ANSYS的汽车半轴法兰盘感应淬火热分析[J].热加工工艺,2020,49(14):114-118.

[6]张海兵,王莉,孙红光.某型飞机法兰盘表面缺陷的无损检测方法[J].无损检测,2020,42(02):74-76.

[7]牛虎利,王浩,闫海鹏等.核电高强钢筋螺纹接触式综合检测方法与机理研究[J].实验技术与管理,2023,40(10):91-99.

[8]党小荔.一种45钢调质法兰盘裂纹分析及技术对策[J].锻造与冲压,2022(15):54-56.

文章来源:王玉娥,卜燕军.基于ANSYS的汽车法兰盘检测仿真分析[J].内燃机与配件,2024(07):46-49.