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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，對含裂紋部件進(jìn)行壽命預(yù)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(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，成木高的光彈試驗(yàn)測試，木文采用了文獻(xiàn)中提出的方法一切線矢量加載法。該法通過將成對的集中力沿切線方向加在周邊節(jié)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)了對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。考慮到初軋機(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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