裂纹前沿网格参数对皮带轮应力强度因子的影响

裂纹前沿网格参数对皮带轮应力强度因子的影响

董方长

浙江启博机械有限公司 浙江台州  317015

摘要：在皮带轮二维裂纹研究的基础上，在裂纹尖端使用8节点的平面四边型单元，研究了低周疲劳损伤的皮带轮裂纹扩展行为;通过虽然针对二维裂纹时，采用该网格划分方法比较容易得到结果，但对于三维裂纹时，采用该方法则难以描述平面裂纹尖端应力的奇异性。在裂纹尖端使用6节点奇异应变三角形单元，研究了弹性体裂纹的剩余寿命;该方法虽然能够描述平面裂纹尖端的奇异性，但未考虑三维裂纹时的计算规模和计算效率。了奇异单元尺寸对其计算结果的影响，能在一定程度上描述其结果随单元尺寸变化的趋势;但是该研究未指出裂纹体周边最佳的网格数。本文主要分析裂纹前沿网格参数对皮带轮应力强度因子的影响。

关键词：皮带轮;三维裂纹体;应力强度因子;正交实验设计;网格数

引言

在工业应用领域，皮带轮是一种重要的机械传动零件。皮带轮的结构应力集中部位多，在周期性载荷作用下易萌生疲劳裂纹。为了防止皮带轮的裂纹扩展失稳和方便结构剩余强度的计算，需要正确计算其应力强度因子。因其解析法只能针对形状简单的皮带轮二维裂纹，而试验法又需要大量的时间和费用，因此，随着计算机技术、力学理论和各种数值方法的发展，学者们更倾向于采用有限元方法来研究皮带轮裂纹。

1、皮带轮成形工艺

随着现代社会经济形势的发展，对汽车的需求越来越大，发动机小型化、易于安装、配件数量的增加已经成为汽车制造的重要要求。因此，滑轮成为发动机的关键部件，广泛应用于汽车、农业机械、船舶等机械设备。现有的皮带轮成形过程是铸造、焊接、挤出和膨胀。但是，从现有铸件获得的工件尺寸精度不高，皮带轮的机械性能可能会下降。虽然膨胀法成型精度高，但生产成本相对较高，因此设备昂贵。多种拉深件是指定零件的整体拉深件，每个零件执行部分变形。经过多次深入施工，最终实现了成型。在多次拉深过程中，金属板的连续变形和硬化效应会累积起来，从而有助于提高强度。同时，板材直接制作，材料利用率高，便于大批量生产，成本相对较低。然而，在多次拉挤过程中，材料受多种非线性啮合力相关的摩擦力、接触力、塑性等复杂力的影响，理论和实际问题比一次拉挤更为复杂。采用当前有限元模拟分析了绘制过程。小灯根据材料拉深系数计算拉深工艺，结合冲压和锻造工艺，利用有限元模拟软件DEFORM-3D进行数值模拟，分析成形过程中的应力-应变分布，为锻造楔块的实际生产提供参考。李雪松等人使用了DEFORM-3D有限元软件来模拟整个过程。仿真结果表明，锻造复合成形工艺成功地表明了零件底部壁厚的变化，可以进行完整的工艺。

1.1传统锻压机加工成形工艺

汽车电磁离合器皮带轮属于轮毂部件。其主要原料一般是具有软磁性能的相对较小的低碳钢。目前，这种皮带轮主要是单调生产的。锻造过程中，热段后的工件会转移到车床上，以后可能会形成孔和凹陷。传统V型皮带轮差距的形成依赖于机械加工机床的粗茶淡饭和停车，产生了大量的铣削废料，大大降低了材料利用率和生产率。

1.2旋压成形工艺

成形原理传统上分为普通旋转(普通旋转)和强力旋转(强力旋转)，这取决于变形过程中工件厚度是否变化。一般纺纱是指改变工件的形状，多用于拉伸和扩大板材。强力旋压不仅改变了工件的形状，而且改变了工件的厚度，主要是为了形成桶形零件。由于纺丝零件的良好质量和性能，应用范围不断扩大，滑轮旋转、轨道旋转等特殊旋转方法逐渐发展。这是纺纱技术在皮带成型过程中的应用。在成型过程中，工件夹在型芯模具和隔板之间。随着型芯模具高速旋转，车轮沿工件径向输送，使工件表面连续发生局部变形，以获得所需的零件形状。

成型设计，电磁离合器是现代变速器控制系统的主要组成部分，作为快速响应能力被广泛应用。响应时间主要取决于材料的磁能。作为汽车电磁离合器的中心部件，皮带轮通常由10号、15号低碳钢和其他优良的低碳钢制成。汽车电磁离合器皮带轮是双缸的，外部有圆形缝隙，零件中心有圆形头。最大外径114mm，高27mm，槽高4mm，槽距4mm，齿角90。根据皮带轮间隙形成的大小和形状，设计旋转过程分为三个阶段。1、将金属板烫印工件固定在旋转型芯模具上，预旋转轮沿径向引线在工件外边缘形成圆形平槽，用v型旋转轮在平槽表面预旋转浅锯齿形状，便于以后放置。2)将预制坯冷却至室温。3)采用v形流道的冷辐射终件形状。

1.3右端外圆及轮槽

在此阶段的加工中，粗加工37mm的外部圆周，并完成右侧的4个车轮槽。最大的困难在于衬衫。因为左轮手枪已经处理过了，不能卡在子弹里。副轴可用于夹紧。首先，将直径为30毫米的钢棒卡在卡盘上，然后切割成滑轮内部的洞一样的形状。移除杆右端间距为2毫米的小螺纹。其中20.1毫米的大小必须正确。辅助轴完成后，首先将垫圈放置在22.1mm轴上，然后在轴上安装皮带轮，放入垫圈，再用螺母拧紧。这样可以确保两轮步进槽的同轴，并保护前后垫圈拧紧螺母时皮带轮不被固定。夹具完成后，用圆柱刀具加工37mm的表面，然后用开槽工具切割33mm的表面，最后用轮槽工具加工6个轮槽两次。

2、结论

针对皮带轮三维裂纹体端面网格数和轴向网格数优化问题，笔者基于应力强度因子理论，对皮带轮张开型表面裂纹前沿的网格参数进行了正交实验研究。首先，笔者研究了正交设计理论和应力强度因子的位移法原理;接着，在皮带轮最大主应力地方，建立了一定大小的半椭圆型表面裂纹，并分析了该裂纹的最大主应力及应力强度因子;最后，通过采用正交设计理论，探讨了裂纹前沿网格数对皮带轮裂纹前沿应力强度因子的影响关系。研究结论如下:(1)在旋转工作过程中，皮带轮出现的裂纹为复合型，而张开型裂纹为主要裂纹形态;(2)裂纹体网格参数对皮带轮张开型裂纹I型最大应力强度因子影响灵敏度依次是:径向网格数＞周向网格数＞轴向网格数;(3)在保证计算效率和精度前提下，在总体网格数不变时，可以适当增加径向网格数，减少轴向网格数;(4)由极差分析结果得到此处裂纹体最好的网格划分方案为，径向网格数为8、周向网格数为16、轴向网格数为15。在接下来的工作阶段中，笔者将基于所研究的裂纹网格划分方法，研究应力强度因子随裂纹扩展长度和扩展角度等多因素的影响关系，并修正每一步的裂纹前沿的应力强度因子，以提高其仿真的精度。

结束语

纵观上述这些文献不难发现，目前绝大部分研究工作专注于裂纹体和非裂纹体的奇异和常规单元类型使用上，而较少关注三维裂纹前沿的不同方位奇异单元网格数对裂纹力学参数计算的影响。而实际上，皮带轮裂纹前沿径向、周向和轴向等3个方位的网格数会影响其求解效率和计算成本。在计算机资源受限的情况下，研究皮带轮裂纹不同方位的单元优化问题，对于提高复杂结构的计算效率和计算精度具有重要的指导意义。因此，针对皮带轮三维裂纹体端面网格数和轴向网格数优化问题，笔者基于应力强度因子理论，对皮带轮张开型表面裂纹前沿的网格参数进行正交实验研究。

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