ABAQUS模拟过盈配合解决材料选择及公差带设计等问题

ABAQUS模拟过盈配合解决材料选择及公差带设计等问题
张丽
(标致雪铁龙中国 上海)
摘 要：本文针对某型发动机在开发过程中出现的配合部件公差带设计不合理导致的过盈量不足而产生脱离现象的问题，应用ABAQUS进行非线性
有限元分析。

根据分析结果，考察初始设计的过盈量、材料选择是否合适。

并针对优化后的设计进行分析，从而解决了产品表现不稳定的问题。

关键词： ABAQUS 过盈 接触
1前言
在原始设计中，某型发动机的凸轮轴和位置传感器触发轮曾有在旋转过程中脱出的现象产生，究其原因，是因为两者过盈量设计不合理，故需重新修改其过盈配合公差带。

对于过盈量上限，增大的幅度不可过大，否则会引起孔件的变形量过大甚至破坏，触发器变形量过大还会影响备用件的更换，增大了成本。

分析目标是确保凸轮轴不产生或产生微小的变形量，而尽量让触发轮产生变形，并尽量控制在弹性变形范围内。

对于过盈量下限，确保有足够大的量来保证两者不脱出。

为了达到以上目标，我们可以从两方面来控制。

首先，控制过盈量的大小，另外选择合适的触发轮材料。

故需要进行考虑接触的非线性分析。

2分析方法
为考察两零部件的结合情况，直观的方法是查看结合面上的压力以及两零部件的变形量。

装配情况下压力要大于零，但要小于断裂极限的安全系数倍，同时，保证部件的变形在弹性范围内或尽量的小。

作者分别针对最大过盈量和最小过盈量进行了两组分析模拟。

针对最大过盈量，分析分为两步完成。

第一步：初始接触。

第二步：压入。

几何模型无初始穿透，采用设置*CONTACT INTERFERENCE[1] 语句的方法来模拟过盈配合接触，并自定义从0到1的幅值曲线[2]，考察是否破坏或变形过大。

针对最小过盈量，增加了第三步：拉出。

考察固定点的作用反力，便可以得到触发轮所能承受的最大拉力，考察是否会脱出。

3分析模型
3.1有限元模型
本次仿真分析的几何模型包括凸轮轴的局部模型和位置传感器触发轮模型，并简化了无关的部分。

为得到正确的计算结果，必须精确的建立有限元模型。

本次分析有限元模型如图1所示，采用C3D8I六面体缩减积分网格划分。

图1有限元模型
3.2材料
考察材料塑性阶段，故需打开STEP中的大变形按钮。

杨氏模量泊松比屈服极限断裂极限密度延伸率凸轮轴115000Mpa0.27190Mpa220Mpa7870kg/m30.2%
触发轮140000Mpa0.22140Mpa202Mpa6800kg/m3 3.5%
3.3边界条件和载荷
(1) 全约束凸轮轴模型一端的节点。

(2) 另一端的触发轮上施加轴向的强制位移。

3.4接触
凸轮轴和触发轮的接触面采用有限滑移。

4计算结果
由应力和变形量结果(如图2，3，4所示)我们可以判断，凸轮轴上的应力已经明显超过了材料屈服极限的安全系数倍，且变形量也超过了0.2%的极限，两者的变形量都比较大，故该设计需要进一步修改。

图2凸轮轴应力结果 图3凸轮轴应变结果
图4触发轮应变结果
5设计优化
针对以上计算结果，可以采取两种方法来优化。

一是修改设计尺寸，即修改尺寸公差带的过盈上限。

二是触发轮选用其它备用材料。

材料参数如下：
杨氏模量泊松比屈服极限断裂极限密度延伸率触发轮140000Mpa0.22125Mpa190Mpa6800kg/m3 3.4%
6优化后的计算结果及评估
作者改用备选材料重新进行分析，分析结果如下：
凸轮轴最大应力在安全范围内，塑性应变很小，触发轮发生塑性变形，结果可为后期的备用件设计提供依据(如图5，6，7所示)。

图5凸轮轴应力结果 图6凸轮轴应变结果
图7触发轮应变结果
在此基础之上，进行最小过盈量情况下的计算，考察是出现脱出现象。

计算结果如下：
最大作用反力为483.2N。

结果说明，在配合下限时，触发轮不会脱出，最大可以承受483.2N的力。

图8最大作用反力结果
7结论
本文通过应用ABAQUS对发动机凸轮轴和位置传感器触发轮的装配情况进行了模拟，指导了设计，解决了产品表现不稳定问题，并为之后的备用件设计提供了依据。

参考文献
[1] ABAQUS Inc. ABAQUS Analysis User’s Manual. ABAQUS Inc.
[2] 《有限元分析实例详解》，石亦平等著，机械工业出版社，2006。