研究综述赵春蕾.docx

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研究综述赵春蕾

装配体的有限元分析

摘要

大多数机械产品在装配时由于受到诸多因素（如设计阶段的因素、环境因素、装配方法以及工作载荷等）的影响，装配后的产品会产生装配变形；而对于许多产品，装配变形会对其疲劳寿命、使用寿命或是工作性能都造成极大的影响；因此研究装配变形以及装配应力的变化规律将可以为更有效高精度的装配产品提供有力的理论依据，并且可以有效的提高产品（例如变数箱，发动机）的工作性能。

目前国内外学者已经对不同机械产品的装配变形进行了深入而广泛的研究。

关键词：

装配工艺装配应力静力学分析动力学分析ANSYS

ADAMS

Areviewonassemblydeformationofmechanicalproducts

Abstract：

Keywords：

AssemblydeformationAssemblystressStaticanalysis

DynamicanalysisANSYSADAMSHYPERMESH

0前言

目前国内外诸多学者已对机械部件的装配变形研究颇深，并且极为广泛。

但由于一部分机械构件及其复杂，因此对于这一部分机械构件的装配力学特性分析仍然是一个难题，对于这些复杂机械构件的分析还不能全面完整的反应其力学特性。

在机械装配过程中由于受到设计阶段配合公差等引起的装配约束力的影响，机械零部件装配或是总装配时，各零部件会引起变形；而变形的内在原因则是由于零件内部应力和应变的大小及分布发生了变化。

因此研究零件内部应力及应变的分布规律是研究装配变形的一个重要的途径。

装配精度的高低不但会影响机械产品的疲劳寿命，而且对于产品的工作性能也将会产生极大的影响，因此研究已装配零件在力学方面的变化水平以及变化规律将具有极大的现实意义；由于对装配件力学方面的研究所获得的应力、应变、位移的分布情况可以反求机械产品零部件在设计阶段以及装配阶段所需的一些关键数据，为设计以及装配阶段提供参考依据；同时也为机械产品的故障诊断提供可靠的参考数据，为产品的故障诊断奠定理论基础。

目前国内外对于机械装配变形的静力学分析比较多，而对于动力学分析比较薄弱，同时对于获得装配体在复杂工况载荷下的真实力学特性仍然是一个难题，国内外学者也正努力向此方向进行深入的研究此。

对于静力学分析前人已经做了大量的研究，并且对于部分零部件的装配方法已经得出了装配应力和变形量的计算公式。

毕凤荣等利用ANSYS对汽车变速箱体进行了静力分析，得出了变数箱体在静载荷下的位移变化、应力分布以及应变云图，从而分析出了箱体强度的薄弱区域，为箱体的结构设计以及强度的改善提供有力的理论依据。

刘迎春[1]利用弹塑性理论对纸机旋转空心辊结构的装配应力进行了分析求解，并得到了在不同车速下的应力分布规律，为充分发挥材料强度潜能以节约材料提供了理论依据。

陈成军、杨国庆等[2]对发动机箱体进行了静力学和动力学的分析，得出了装配链接方式对结合面密封性的影响，并提出一套面向结合面密封性能要求的装配链接工艺流程。

赵广耀、王旭兰等[3]利用Pro/E软件建立了汽车变速器箱体以及变速器的三维实体模型，并分别应用ANSYS和ADAMS软件对其进行了静力学和动力学方面的分析，为进一步改变箱体的结构以及克服薄弱环节提供了理论依据。

Shiang-WoeiChyuan[4]对发动机缸体及其附件进行了的有限元仿真，分析了缸体系统的应力和应变的分布情况，并在热载荷下对缸体系统的气密性进行了研究分析，为设计者们在发动机设计阶段能够很好的预测其物理响应提供了很好的理论依据。

美国的N.T.Younis[5]利用光测弹性学的实验方法判定了装配应力对于孔周围应力的影响，得出装配应力可以降低应力集中的方法，以减小孔周围的应力。

机械产品的工作性能是人们非常关心的问题（例如机床的加工精度，发动机的动力性，震动程度以及噪声污染程度），而影响产品工作性能的一个关键问题即为装配精度的高低。

目前国内外诸多学者都对过盈配合、双重过盈配合、过渡配合、螺栓链接等装配链接方式进行了装配变形以及装配应力的研究并且在工作载荷下进行了动应力的研究分析。

1装配力学理论

1.1装配概念理解

装配载荷为：

装配期间对零部件施加所需的外载荷，在零部件配合后释放外载荷，此时相互配合的零部件内存有的剩余载荷（此载荷保证了零部件所需的装配结果）即为装配载荷。

零部件在装配时，需要对其施加外载荷，此时待装配零件间将产生装配约束力，并且随着施加载荷的增大，约束力也将增大，并且各零件内部将发生变形。

这里所指的变形即为零件内部点与点之间的相对改变，这种改变称为应变[6弹性书]。

零部件的变形是由零件内部不同位置的质点相对位置的改变引起的，也就是说，是由零件不同位置质点的位移不同而引起的。

由于约束力的作用，装配过程中将发生两种变形，即为弹性变形和塑性变形。

弹性形变：

材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质称为弹性。

这种可恢复的变形称为弹性变形。

弹性变形的重要特征是其可逆性,即受力作用后产生变形,卸除载荷后,变形消失。

塑性变形：

是物质-包括流体及固体在一定的条件下，在外力的作用下产生形变，当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现象。

装配应力的概念[7]：

零部件在装配过程中将产生装配变形，并在未受外力作用时（停止施加外载荷时），其内部存在应力，该应力即为装配应力。

装配应力的计算方法一般有三种，一种方法是将变形协调方程、平衡方程以及胡克定律联立求解，另一种为能量法。

装配应力引起的装配件的变形量，为合理的确定零件的公差与配合奠定理论基础。

在弹性体中微元体的应力、应变及其相互关系的方程可有以下几个公式求解：

平衡方程

（

为任意平面上的应力矢量；

为任意）

几何方程

协调方程

Hooke定律

1.2装配应力集中现象

应力集中问题是研究当物体中有孔口或缺口存在时，在其附近发生的应力急剧增高现象。

在大多数零部件装配时都会有螺栓链接，而在零部件上则会有链接所用的孔口或是缺口等，此时在施加外载荷时，孔口或是缺口的周围通常会出现应力集中现象，这是造成零件破裂的主要原因，因此应力集中对于零件的强度有着极大的影响。

在静载荷下，应力集中对于塑性材料零件影响不明显，而对于脆性材料的影响比较严重，因此此时必须考虑应力集中现象；而在动载荷作用下，两种材料的零件都必须考虑应力集中现象，因为此时应力集中对零件的破坏影响较严重。

在发动机缸盖与缸体螺栓链接时，在施加拧紧力的作用下孔周围会产生应力集中现象，但当发动机工作后，缸体内部的气体载荷将会缓解孔周围的应力集中.2006年N.T.Younis通过实验的方法总结出了装配应力对于减小孔周围应力的影响。

唐洪祥、管毓辉[8]对孔口应力集中问题的Cosserat连续体进行了有限元分析，得出了不同孔口时应力集中因子与应变梯度的变化情况。

1.3热载荷下的应力——热应力

当物体因遇到变化温度而引起膨胀，或收缩受到约束时将会产生应力。

在均匀零件中，若各处温度的变化不均匀，零件各处膨胀和收缩的不同，此时零件因要保持位移单值连续，而产生热应力。

对于非均匀物体，由于线膨胀系数的不同（即使整个物体温度一样时），零件内部也会产生热应力[9力学书]。

目前工作中的机械设备大多是处于非均匀、稳定温度场中的,因此研究非均匀温度场的热变形更具有应用价值和实际意义。

对于许多机械产品（如机床，发动机，变数箱等）都要承受热载荷作用，连接件与被连接件间的热载荷F的计算公式[10上硕]：

公式中，

为被连接件的压缩刚度（可通过实验获得）；

为连接件的刚度；

为联接件的热膨胀系数；

为被连接件的膨胀系数；

为温度变化值；

h被连接件的厚度。

热应力的计算公式为

2典型装配方法介绍

2.1螺栓链接

螺栓拧紧对装配精度起着很大的作用，在螺栓拧紧过程中，螺栓数量、基准销数量、垫圈数量以及所施加的载荷等都是影响装配精度的一些重要因素。

对于装配的准确性来说，不同数值的偏差需要使用不同的螺栓拧紧条件。

且最精确的螺栓拧紧条件，应该是使用相对多的螺栓，使用基准销和垫圈，还要保证使用相对大的螺栓拧紧力[11Studyingeffectsofscrew-fasteningaccuracy]。

螺栓连接在现代机械产品中是经常可见连接方式，影响着大多数机械构件的装配精度，并且影响多数机械产品的工作性能（例如，发动机缸体与缸盖结合面的螺栓影响着发动机燃烧室的气密性，影响发动机的动力性。

）因此国内外许多学者都对螺栓连接进行了深入的研究。

在装配时，大多数螺栓链接都要进行预紧，使得螺栓在承受工作载荷之前，先承受预紧力的作用。

预紧的目的主要是为了增强联接的可靠性、紧密性与刚性，并且在动载荷下还可以提高疲劳强度。

因此，由经验可得：

在连接过程中适当增大预紧力，对于螺栓连接的可靠性和疲劳强度都将是有利的，尤其对于一些紧密性要求较高的螺纹联接预紧力的选取更为重要。

按螺栓联接的装配情况可将联接分为松螺栓联接和紧螺栓联接[12上交]，根据螺栓所承受的载荷情况又可将紧螺栓联接分为只承受预紧力的联接、承受载荷下剪切力的联接以及同时承受预紧力和工作拉力的螺栓联接。

2.2过盈配合

在许多装配中可采用两种方法：

一种先对误差零件加载，使其变形为设计尺寸，然后与其他部分组装，再将误差零件上的外力卸载，误差零件变形有恢复原始尺寸的趋势，其他部分则阻止误差零件变形的减小，相互作用力使所有构件都产生变形。

另一种方法为对误差零件和连接的其他构件同时施加外力，误差零件和连接的构件同时产生变形，直至可以装配上。

无论哪种方法都要产生变形，且各零件内部都存有应力。

对于该应力的分析可以为设计阶段提供参考，同时可以检查产品的装配精度，以判断其工作性能的好坏。

3静动力学应用分析

3.1结构静力学分析

对机械结构进行有限元分析可以得到一些重要信息：

应力的分布水平与规律、变形分布、结构的固有频率、相应的主振型（即结构的固有特性）以及结构的动态响应。

应用以上信息可以进行结构的最优方案设计（保证强度、刚度和稳定性），也可以分析零部件破坏原因，根究分析的结果找出危险区域和部位加以改进或维修，还可以将其应用到装配分析上，将装配后的零部件进行不同载荷（静载荷、动载荷、热载荷等）下的动静态分析，并综合装配顺序的优化算法以获得最优的装配方案。

结构静力学分析适用于获得在静载荷下所引起的机构位移、应力和应变等效应。

静力分析只考虑假定载荷随时间变化非常缓慢的载荷[13清华书]（假定为静载荷），如重力和离心力等；不考虑变载荷（如惯性力和阻尼等）的影响。

静力学分析包括线性和非线性，其中非线性静力分析又包括：

大变形、塑性、蠕变、应力钢化、接触（间隙）单元、超弹性单元等。

3.2结构动力学分析

对于多数机械产品在其工作时经常受到动载荷（动载荷为与时间有关的载荷）的作用。

动力学分析即分析构件在承受动载荷作用时构件的物理特性，也可以说动力学分析是用来确定惯性（质量效应）和阻尼起着重要作用的机构或构件动力学特性的技术。

根据外加激励的特点不同，动力学分析可分为：

（1）模态分析

当机械装配体/零件等在不受外加动载荷作用而产生自由振动时，通过公式可以确定结构的振动特性,称为模态分析。

（2）谐响应分析

当外加激励

，

为定值，

变化时，结构作简谐振动。

通过公式

可以判定激励的频率是否与结构产生共振等情况。

（3）瞬态动力响应分析

当外加激励为时间的确定函数时，则可以确定机构的瞬态响应规律。

（4）谱分析

当外加激励与时间无确定关系时，只有统计规律时，则可以对机构进行谱分析，以便确定在任意随时间变化载荷或随机载荷下机构的动力学响应。

4ANSYS软件介绍

4.1网格划分法

在有限元分析中，网格的划分的好坏将影响着分析计算的准确度和计算速度。

在几何体的不同部分可以采用不同的划分方法。

以下为几种网格的划分法：

（1）四面体单元划分法[14书]（Tetrahedrons）这种方法是最简单、最常用的一种划分方法，其具有以下优点：

可以适用于任意形状的几何体，可以快速、自动生成，可使用曲度和近似尺寸功能自动细化网格，可用膨胀来细化几何体边界附近网格，等等。

其缺点为：

在网格密度近似相同时，单元和节点数目多于六面体单元划分；一般不能使网格在同一方向上排列；不适合薄几何体和环形体。

（2）六面体单元为主法（HexDominant）这种方法是先在几何体的外表面生成四边形为主的面网格，然后向内拉伸生成六面体或棱锥单元，最后在几何体内部填充棱锥或四面体单元，该方法适合块状的几何体，而对细长的几何体适用性较差。

（3）扫略划分法（Sweep）该方法是在扫略划分网格时，先划分源面，然后再映射到目标面。

这种方法主要产生六面体单元或棱柱形单元，对几何体形状的要求较高，几何体必须是形状规则、可扫略的，且有形状一致、单一的源面和目标面。

4.2ANSYS软件经验介绍

（1）ANSYS软件建模功能还不是很强大，对于大型复杂机械体的建模非常困难[15内燃机学报]，为此对于几何结构复杂的构件需用专门建模软件建模后再倒入到此软件中。

（2）对复杂体进行划分网格时，可以选择分区域划分，即在不同的部件上选择不同的网格大小，形状等，以便获得一个精确且运算快速的网格模型。

（3）对于机构复杂的装配体来说，ANSYS划分网格模块无法精确的进行网格划分，可以使用专门网格划分软件（如Hyperworks）对复杂体进行准确的网格划分.网格划分的准确性对于分析结果的真实性影响很大。

（4）对于大多数几何结构复杂的或是结构对称的零部件模型需要合理的对其简化后，在对其进行分析，这样可以减少计算以节省大量的计算时间。

5载荷的求解

5.1多体动力学介绍

多体系统指的是零部件装配后所形成的一个复杂的机械系统，而多体系统动力学主要是应用计算机技术对复杂机械系统进行动力学分析与仿真。

多体动力学主要包括模型的建立和方程的求解两个阶段，建模又分为数学建模和物理建模；其中物理模型主要可以体现机械系统的力学特性，是通过将几何模型赋予力学性质而获得的。

而数学模型则是由物理模型而生成的，主要根据不同情况来选取运动学、动力学、静平衡或是逆向动力学分析算法来迭代求解。

5.2ADAMS求解动载荷

ADAMS软件求解动力学方程可以得到位移、速度、加速度以及反作用力曲线，以便对机械系统进行静动力学分析和运动学分析。

另外ADAMS软件的仿真可以机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷。

目前国内外多数应用实验的方法来确定一些载荷的数据，而应用软件求解载荷的方法仍然很少。

对于ADAMS求解出来的载荷在加载到机械部件上时，需将其分别按水平方向和垂直方向加载。

6结论

目前有限元法应用领域非常广泛，尤其在机械领域，学者们很早就对机械产品在工况载荷下进行了静力学分析，并且机械产品在工况载荷下的静力学分析的结果已经为产品的设计阶段提供了很大的帮助，曾大了产品结构设计初期的合理性，增强了产品的结构强度等。

但对于机械产品在工况载荷下的动力学分析还很缺少参考文献。

就工作环境较复杂的发动机缸体来讲，1999年廖日东、左正兴[16]等人对有限元技术在发动机零部件上的应用进行了总结。

2009年，杨国旗，黄锦成[17]等人对发动机进行了模态分析，得出了发动机缸体结构的薄弱之处并提出了改进的意见。

2014年金旭、薛冬新[18]等人已对发动机缸体进行了不同动载荷（气体爆发压力、侧推力、惯性力和螺栓预紧力）下的静力学分析，但未对缸体进行不同载荷下的动力学分析，也未给出所有不同载荷下缸体的应力水平和分布规律。

因此对于机械产品的动力学分析还很缺乏，动力学分析结果与产品性能之间的关系还不确切，目前该研究方向也成为学者们所努力的方向。

参考文献

[1]刘迎春.纸机旋转空心辊结构的弹塑性应力分析.天津：

天津科技大学机械工程学院.2011.2.

[2]陈成军、杨国庆.面相结合面密封性能要求的装配连接工艺设计.西安：

西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室.2012.3.

[3]赵广耀、王旭兰.汽车变速器箱体的静动态力学分析研究辽宁：

东北大学，2010.6.

[4]

[5]N.T.Younis*.Assemblystressforthereductionofstressconcentration.MechanicalEngineering,IndianaUniversity-PurdueUniversityFortWayne,FortWayne,IN46805-1499,USA.2006.4.

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