金属锁扣的强度分析

 金属锁扣的强度分析

锁扣结构常用于控制机械装置的传动，其结构如图1所示,两个螺栓将上壳体与下壳体固定在外套筒上，传动轴贯穿外套筒，用于传递扭矩；图2为结构的剖面图，锁扣与传动轴固定并开有两个U型槽，锁舌有特俗的擒纵机构控制。当锁舌弹出时，其上端插入随传动轴旋转的锁扣U型槽，从而实现传动轴的锁止。由试验测得，锁止时刻传动轴所受的最大反向力矩为200N*m。

本文基于Hypermesh及Abaqus/Standard软件分析金属锁扣在200N*m力矩作用下的应力、应变响应，辅助判断结构的强度是否满足设计标准。本分析采用单位制为牛、毫米、秒。

首先，为了加快计算速度，对模型做适当简化：略去传动轴，将200N*m扭矩直接加载在锁扣上。外套筒用于施加固定约束，因此可以将外套筒缩短。锁舌下端的弹簧用接地弹簧SPRING1单元模拟，弹簧刚度为3N/mm，方向沿着锁舌运动方向。简化后的模型如图3所示。

第二，对结构划分四面体网格，单元类型为C3D10M，并赋予相应的材料属性。螺栓头与上壳体接触处、螺栓尾与下壳体接触处、上下壳体接触处都采用结点融合。并且为了输出上下壳体外表面的应力、应变，在结构外面包一层膜单元，膜厚度设置未1.0E-6mm。

第三，初始时刻的上下壳体与外套筒处于过盈状态，并且由于过盈状态引起的结构摩擦力有利于抵消锁止力矩，因此必须进行过盈配合分析。Abaqus/Standard中的general contact算法默认是通过直接调整接触面结点坐标位置来消除数模的初始过盈，因此我们通过contact pair算法进行过盈配合分析：首先，建立图3所示的两个*SURFACE，其中con1_master表示上下壳体，con1_slave表示外套筒。然后，建立基于上述两个*SURFACE的接触对（*CONTACT PAIR），并在接触对的属性中，将摩擦系数设定为0.12，如图4所示。

第四，其余的接触通过General Contact定义。在Hypermesh中，依次点击Analysis→interfaces→create，创建一个新的interfaces，将name设置为general，type设置为General_CONTACT之后，点击右侧create/edit按钮，在弹出的卡片中进行如图6所示设置：

       第五，设置第一个分析步：过盈配合分析。在Hypermesh中，依次点击Analysis→interfaces→create，创建一个新的interfaces，将name设置为Interfere，type设置为CONTACT_INTERFERENCE之后，点击右侧create/edit按钮，在弹出的卡片中进行如图7所示设置：

第六，设置第一个分析步的边界条件。过盈分析时，首先约束外套筒端部的1-6自由度，其次约束锁扣端部的1-6自由度，如图8所示。此外，为了加快计算的收敛速度，可以施加如下临时约束：约束上下壳体沿外套筒轴向的平动、约束锁舌绕接地弹簧的转动等。

第七，设置第二个分析步：释放锁扣端部绕轴转动自由度，并删除临时约束。在Abaqus中，关键字*BOUNDARY, OP=NEW可以将本分析步之前的所有边界条件都删除，然后重新约束外套筒端部的1-6自由度，其次约束锁扣端部的1-6自由度，如图9所示。

第八，设置第三个分析步：施加锁止力矩200N*m，方向沿着外套筒轴向，如图10所示：

    第九，提交分析，查看分析结果。如图11所示，左侧为结构整体的位移动画，右侧为剖面为一动画。图中可以明显看出，随着载荷加大，外套筒与上下壳体之间产生滑移。