工程塑料齒輪疲勞壽命有限元分析
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ANSYS是以有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用CAE軟件，是世界上第一個(gè)通過(guò)IS09001認(rèn)可的有限元分析軟件。因此，通過(guò)準(zhǔn)確地建立模型、合理的網(wǎng)格劃分與載荷施加以及邊界條件設(shè)定，就能得到可靠性較好的計(jì)算結(jié)果。
對(duì)于工程塑料齒輪，由于其材料的力學(xué)性能、熱性能等都與金屬材料有很大區(qū)別，其失效形式及失效機(jī)理與金屬齒輪也有很大區(qū)別。由于塑料齒輪的彈性模量較低，與鋼齒輪嚙合過(guò)程中其赫茲接觸區(qū)較大，接觸應(yīng)力較小，一般不會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕等表面失效，所以輪齒在彎曲應(yīng)力作用下疲勞斷裂或折斷是塑料齒輪的主要失效形式。因此主要對(duì)3種情況下的UHMWPE材料齒輪的疲勞壽命進(jìn)行分析。
4.1 UHMWPE材料齒輪無(wú)缺陷情況的疲勞壽命分析
在利用ANSYS進(jìn)行齒輪的疲勞分析前，需要對(duì)2嚙合齒輪進(jìn)行接觸分析。按照上文所分析的實(shí)際接觸情況，確定2齒輪單齒嚙合區(qū)域最高點(diǎn)位置，并定義接觸類(lèi)型為柔體對(duì)柔體的面對(duì)面接觸。
取鋼齒輪嚙合面為目標(biāo)面，用單元Targel69來(lái)定義，取UHMWPE材料齒輪嚙合面為接觸面，用單元Contal71來(lái)定?？梢詮牟藛?Main Menu> Preprocessor>Modeling> Create> Contact Pair)進(jìn)入接觸向?qū)?，?lái)建立目標(biāo)面接觸面的“接觸對(duì)”。也可以采用其他途徑建立接觸對(duì)，這屬于ANSYS基本操作，本文不再詳述。
接觸對(duì)建立完成后進(jìn)入靜強(qiáng)度求解過(guò)程，主動(dòng)齒輪為鋼齒輪，傳遞力矩為6N·m，ANSYS計(jì)算所得UHMWPE材料齒輪齒根處的應(yīng)力如圖4所示。從應(yīng)力云圖中可以看出：最大應(yīng)力發(fā)生在UHMWPE材料齒輪齒根處，節(jié)點(diǎn)號(hào)為：2279，應(yīng)力值為：32.1MPa。
圖4 UHMWPE材料齒輪齒根處應(yīng)力云圖工程塑料齒輪ANSYS疲勞分析的步驟為：首先進(jìn)入后處理POST1，恢復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)，然后提取齒根最大彎曲應(yīng)力處的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力并將其儲(chǔ)存，并確定重復(fù)次數(shù)，最后采用Miner疲勞積累理論計(jì)算疲勞壽命并查看結(jié)果。
UHMWPE材料齒輪疲勞壽命預(yù)測(cè)需要的較關(guān)鍵疲勞性質(zhì)是材料的S-N曲線，所研究的UHMWPE材料的S-N曲線如圖5所示。
圖5 UHMWPE材料S-N曲線疲勞分析結(jié)果如圖6所示?？梢?jiàn)在文中所設(shè)定工作載荷下，該UHMWPE材料齒輪輪齒的疲勞壽命為132800次，累計(jì)疲勞系數(shù)為0.75301。
圖6 無(wú)缺陷UHMwPE材料齒輪疲勞計(jì)算結(jié)果4.2 齒問(wèn)存在熔接痕時(shí)UHMWPE材料齒輪的疲勞壽命分析
UHMWPE材料齒輪注塑工藝復(fù)雜。工藝控制不當(dāng)很容易產(chǎn)生熔接痕等注塑缺陷。因此，對(duì)存在熔接痕缺陷的UHMWPE材料齒輪進(jìn)行分析，可以確定該缺陷的不同位置對(duì)齒輪疲勞破壞的影響程度。這對(duì)工程塑料齒輪的注塑工藝，澆口位置安排等都有一定的指導(dǎo)意義。
在利用ANSYS分析存在熔接痕缺陷的工程塑料齒輪時(shí)，將熔接痕等效為I型裂紋問(wèn)題，并采用KSCON命(Main Menu>Preprocessor> MeshShapeSize> Concentrat KPs-Create)，使ANSYS自動(dòng)圍繞熔接痕尖端關(guān)鍵點(diǎn)生成奇異單元，然后進(jìn)行分析求解。假設(shè)在兩輪齒間存在一條長(zhǎng)為1.5mm的熔接痕，熔接痕位置和尺寸如圖7所示。
圖7 齒間熔接痕尺寸疲勞分析結(jié)果顯示：在齒間存在較小熔接痕缺陷情況下，UHMWPE材料齒輪輪齒的疲勞壽命為124600次，累計(jì)疲勞系數(shù)為0.80257。疲勞產(chǎn)生的位置仍未齒根處?？梢?jiàn)，齒間存在較小熔接痕缺陷情況下，缺陷對(duì)UHMWPE齒輪疲勞壽命無(wú)較大影響。
4.3 齒根存在熔接痕時(shí)UHMWPE材料齒輪的疲勞壽命分析
假設(shè)在齒根處存在一條長(zhǎng)為1.5 mm的熔接痕，熔接痕位置和尺寸如圖9所示。
圖9 齒根熔接痕尺寸疲勞分析結(jié)果為:疲勞破壞發(fā)生在熔接痕尖端，如圖10所示。齒輪輪齒的疲勞壽命僅為5631次。可見(jiàn)，在齒根存在較小熔接痕缺陷情況下齒輪很快進(jìn)人疲勞并斷裂破壞。
圖l0 疲勞破壞發(fā)生位置5 結(jié)論與展望
1)采用ANSYS有限元技術(shù)可以計(jì)算復(fù)雜邊界條件下的疲勞問(wèn)題，對(duì)工程塑料齒輪的疲勞壽命的確定有一定價(jià)值。
2)通過(guò)ANSYS分析得出:所研究的UHMWPE材料齒輪在無(wú)缺陷情況下的疲勞壽命遠(yuǎn)高于齒根存在熔接痕情況下的壽命。
3)當(dāng)熔接痕靠近UHMWPE材料齒輪齒根處時(shí)，加載后輪齒很快進(jìn)人疲勞并斷裂，因此需要對(duì)注塑工藝進(jìn)行優(yōu)化，避免在齒輪齒根處出現(xiàn)熔接痕。
4)很多性能優(yōu)異的工程塑料均可用作為中等載荷的齒輪材料，例如POM，PA66等，利用有限元方法校核其疲勞壽命會(huì)加快設(shè)計(jì)速度，同時(shí)也提高了可靠性。(end)
評(píng)論