基于ABAQUS 的销轴联接的三维有限元分析

杨家军 王建波 张盛华

(1．领新(南通)重工有限公司，江苏 南通 226017;2．南通大学机械工程学院，江苏 南通 226019)

0 引言

销轴连接常用于两个结构构件之间的连接，以满足构件之间相对转动的需要。销轴连接也是挖泥船维修吊机臂架系统中主要的连接方式之一［1］。工程上，各构件端头或其他连接部位会预留有耳板，采用销轴将一侧耳板与另一侧耳板连接起来，销轴与耳板之间可以发生相对转动，相互之间的载荷通过销轴和耳板的接触面来传递。因此，销轴联接的应力与应变状况直接影响整机的运行安全性、可靠性及疲劳强度。由于工况的多变，销轴连接处受力形式复杂，仅用传统的力学方法很难求解，且计算复杂，计算精度较低，用有限元法进行相关结构强度和刚度分析，不仅准确、经济、高效，又能得出构件在各种工况下的应力分布情况。本文采用ABAQUS软件，针对挖泥船维修吊机四种最不利工况，建立了吊机的整体模型，通过局部细化网格，重点分析销轴及耳板处的受力情况［2］，轴杆与耳板的连接采用接触分析来实现有限元仿真，对各臂的头部、根部、中枢连接销轴分别进行了力学分析，同时也对耳板连接部进行了强度的校核。

1 工程概况

挖泥船维修吊机的主要部件有中枢、主臂架、副臂架(折叠臂)、铰盘、滑轮、下油缸臂和上油缸臂等，其中主臂架自重为7．55 t，副臂架自重为4．87 t，中枢自重为2．62 t。其有限元模型见图1。

图1 挖泥船维修吊机有限元模型

为适应实际作业的需要，挖泥船维修吊机实际工作时会有很多工况。主要体现在主臂架相对中枢的夹角不同、副臂架相对主臂架的夹角不同上，其中两者之间的夹角变化通过油缸的伸缩来实现。一般情况下，按起吊半径和重量只需选取四种典型工况进行计算。工况一:6 m-15 t;工况二:10 m-15 t;工况三:23．4m-4 t;工况四:26．7 m-4 t。

2 几何模型的建立

首先采用CAD软件进行了挖泥船维修吊机的三维几何模型，再根据设计实际情况，对模型进行了几何简化处理。最后将三维线框模型导入ABAQUS软件进行有限元建模。

3 有限元模型的建立和处理

3．1 有限元模型的建立

根据吊臂结构和有限元建模的特点，采用实体单元、板单元、杆单元来模拟。上下油缸臂采用的是直径0．14 m的实心圆杆，中枢、主、副臂架主体采用板单元结构。除油缸外的铰接部分外，其余铰接部位采用接触单元处理，因而对于铰点轴杆、中枢—主臂架铰点处、主臂架—副臂架铰点处，采用实体单元建模。

3．2 载荷及边界条件处理

各部件所用钢材为Q345钢。相应材料参数为:弹性模量:E=2．06 ×1011Pa;泊松比:μ =0．3;密度 ρ=7 850 kg/m3。重力加速度为g=10 m/s2。计算载荷包括:结构自重、起吊重量、试验载荷系数(取K=1．2)。荷载组合为:结构自重+起吊重量×试验荷载系数。计算时未考虑起吊过程中的动力响应。铰车和吊点取其受力点为有限元节点，与相应吊臂处耦合并施加荷载。上下油缸臂采用杆单元模拟，与支座处的臂架支座位置耦合。支座底部都采取全部约束，起吊重量施加在耦合节点上。

3．3 ABAQUS简介及接触部分说明

ABAQUS是应用广泛的有限元软件，其主要优点是具有强大的非线性分析功能［3，4］。ABAQUS能够自动选择合适的载荷增量和收敛准则并在分析过程中不断调整这些参数值，以确保获得精确结果。

在ABAQUS/Standard分析中定义接触时，可以选择点对面离散方法和面对面离散方法。面对面离散方法会为整个从面建立接触条件，在接触分析过程中同时考虑主面和从面的形状变化。可能在某些节点上出现穿透现象，但程度不会很严重。

销轴和耳板的接触是圆柱外表面和圆环内表面的接触，在创建接触属性的过程中，在切向特性栏内选择摩擦，在“Friction coefficient”摩擦系数栏内填0．01，在“Normal Behavior”法向特性栏内选择“Hard Contact”硬接触。约束销轴的轴向位移［5］。

4 计算结果与分析

通过对吊臂有限元模型的加载计算，得到四种工况下有限元应力云图，重点给出工况四的Mises应力云图(见图2)，其他工况的分析结果见表1。

表1 四种工况下各构件销轴处的M ises应力值 MPa

从表1的分析结果来看，吊机销轴连接处的应力水平整体不高。其中工况二、工况三在中枢耳板处出现了相对较大的应力，工况三、工况四在尾部耳板处的应力明显高于其他工况，但都远低于材料的允许应力值。在四种工况下，上油缸臂上铰点处最大应力不是出现在油缸臂顶部，而是出现在铰接耳板与副臂架主体过渡的地方(见图3)，应力值的大小一方面和过渡圆角有关，同时也和此处的焊接质量密切相关，实际工程中应引起足够重视。

图2 工况四下臂架耳板处M ises应力云图

图3 上油缸臂上铰点处M ises应力云图

5 结语

1)采用非线性有限元法，较为准确的描述了挖泥船维修吊机中枢、臂架销轴连接处的应力分布状况。不同工况下耳板及轴杆的应力值都不大，说明耳板和轴杆的设计是合理的。2)在挖泥船维修吊机耳板内环、臂架头部和臂架主体连接的地方会存在应力集中情况，为延长使用寿命和提高安全储备，应对这些部位进行结构或工艺处理。3)挖泥船维修吊机耳板前端轴孔处的应力要明显高于耳板根部，是构件破坏最先发生的部位。

［1］李娜娜，石现峰，许宏伟．销连接受力特征的数值仿真［J］．石家庄铁道学院学报，2007，20(4):104-107．

［2］颜东煌，刘雪峰．销轴连接结构的接触应力分析［J］．工程力学，2008，25(1):229-233．

［3］庄 茁．基于ABAQUS的有限元分析和应用［M］．北京:清华大学出版社，2009．

［4］周芝庭，冯建芬，谷春笑．基于ABAQUS的有限元螺栓接头的接触有限元分析［J］．金陵科技学院学报，2008，24(4):9-12．

［5］蒋友宝，冯 健，孟少平．销接节点考虑接触特性的设计讨论［J］．公路交通科技，2006，23(9):76-80．