第３３卷第３期 天 津 理 工 大 学 学 报 ＪｏＵＲＮＡＬ ｏＦ ＴＩＡＮＪＩＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ｏＦ ＴＥＣＨＮ０ＬｏＧＹ Ｖｏ１．３３ Ｎｏ．３ ２０１７年６月 Ｊｕｎ．２０１７ 文章编号：１６７３—０９５Ｘ（２０１７）０３—０００１—０５ 基于ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ对圆柱面过盈配合 接触应力的研究 李亚洲 ，汤易升 ，陈 炜 一，张西正１，２ （１．天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统与智能控制重点实验室，天津３００３８４； ２．军事医学科学院卫生装备研究所，天滓３００１６１） 摘要：利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ，模拟空心轴与包容件的过盈配合过程，通过改变单一因素的实验方 法，分析圆柱面过盈配合中接触应力分布情况和各个因素的关系．本文分析了过盈量、包容件外径、接触宽度、轴向拉力 和压力的影响因素．对实验结果进行分析得出如下结论：轴和包容件的接触区域的最高等效应力区，受到边缘效应的影 响，最高应力集中区出现在端部边缘处．包容件在靠近边缘的中间部位出现低应力区域．空心轴表面的应力值呈现出从 一端到另端逐渐增加的现象． 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９０．ｉｓｓｎ．１６７３—０９５Ｘ．２０１７．００３．００１ 关键词：过盈配合；有限元；影响因素；等效应力 中图分类号：ＴＨ１４０ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ０ｎ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｔｒｅｓｓ ０ｆ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｉｔ ｂａｓｅｄ － Ｏｎ ｔｈｅ ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ ＬＩ Ｙａ—ｚｈｏｕ ，ＴＡＮＧ Ｙｉ—ｓｈｅｎｇ ，ＣＨＥＮ Ｗｅｉ 一，ＺＨＡＮＧ Ｘｉ—ｚｈｅｎｇ ， （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３８４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３０１６１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ，ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈｏｌｌｏｗ ｓｈａｆｔ ａｎｄ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ａ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｂｙ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｆａｃｔｏｒ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｉｔ ｏｆ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｉｓ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ．Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｑｕａｎｔｉｔｙ，ｉｎｃｌｕｓｉｖｅ ａ ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｃｏｎｔａｃｔ ｗｉｄｔｈ．ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ａｘｉａｌ ｔｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ：ｓｈａｆｔ ａｎｄ ｔｏｌｅｒａｎｃｅ ｏｆ ｃｏｎｔａｃｔ ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ ａｒｅａ，ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｅｄｇｅ ｅｆｆｅｃｔ，ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｓｓ，ｈｉｇｈ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｄ ｅｄｇｅ．Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ａ ａｐｐｅａｒｓ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｅｄｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ｌｏｗ ｓｔｒｅｓｓ ａｒｅａ．Ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｏｌｌｏｗ ｓｈａｆｔ ｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ａ ｇｒｏｗｉｎｇ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｆｒｏｍ ｏｎｅ ｅｎｄ ｔｏ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｅｎｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｉｔ；ｆｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒｓ；ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ 过盈连接普遍采用的方法是热胀冷缩或强力压 入将有过盈量的两个接触面装配到一起ｌ１ ．在接触 与断裂的缺点，也解决了部分金属材料和机械结构 进行螺纹加工困难的问题，常用于薄壁件连接处（不 面上会产生很大的径向力．在过盈连接承受轴向力 和扭矩时，接触区域将产生相应的摩擦力与力矩来 抵御外部施加的力和力矩＿７＿ ．过盈连接是一种半永 易加工螺纹），具有良好的对中性，应力分布相对比 较均匀，承载能力强，结构紧凑美观等优 ［９１． 现阶段对过盈配合的研究，已经在很多方面进 行了．有从过盈连接的接触面变形类型来研究的，将 过盈面的的变形分为弹性变形和塑性变形两个阶段 久性连接．它有很多优点，结构简单，生产成本低，消 除了焊接产生局部应力，零部件容易产生局部疲劳 ２０１６－０７－１２． 收稿日期： 基金项目： 国家自然科学基金（１１３０２１４７，５１２７５３５３）． 作者简介： 李亚洲（１９９０一通讯作者： 张西正（１９５６一），男，硕士研究生，Ｅ—ｍａｉｌ：１３１３２２０８３５９＠１６３．ｃｏｉｎ． ），男，博士，研究员，博士生导师，Ｅ—ｍａｉｌ：ｚ５６７８７＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ． ． 一， ． 进 小同的研究 Ｉ弹 址指 过盈连接件，拆卸后， 的接触 能够恢复剑 行的直径不发 永久性 彤． 性变彤，拨珩虫 Ｉｆｉｆ的材料受到很大的力，趟 …』 强度极限， 致接触 发，卜Ｊ，永久性变形． 种研究分类，将过 连接的研究，根据接触向ｆｉｇＫ．状 小¨，分为 锥 洲佳 …对旧柱叫的研究卞『ｌ对比 譬 ｌ目 誊 ｔｌ 』Ｉ Ｌ 较多． 研究领域 巾 轴和轮投酉己合 ，研究 力 法 遍采川ｊ ＰＩ－： Ｊ 、 ｊ材料力学的 式进行 图ｌ模拟过盈配合过程图 Ｆｉｇ．１ Ｆｉｇｕｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｉｔ 推 汁 ．应川ｆ／２统的 弹性力学，Ｆ 以斛决轴 Ｉ 位容什的应力特 … 题．似随荷 程研究的深入，人 ｆ『ｊ ＾ 要更ｌＪＪｆＩ血观ｆｌｌ准确研究接触 域的非线性 学 川题．．些学者捉…Ｊ 埘过垃连接应力分伽影响ｆｋｌ 豢的研究．ｆ｛１于 的弹性 Ｊ学力 法已经 通川， 尤法满址埘过㈨ 合Ｊ 域的 观的定性分析．现阶 段普遍采朋的研究 法是将数值计算的方法ｆｊｆ入 Ｙ１刈‘过 连接影Ｉ 尺１ 的研究ｒｆ１．随着有 几分忻 的方法的发腮， 多 、 利用有限元分析软件，刈‘ 过 合而进仃Ｊ、 分析．能蜓ＪＪ【ｌ准确、直观、细致 的分析ｆｆ｛过盈 的变形过 Ｉ Ｉ．本文利川仃 几 分析软件ＡＮｓ ｗｔ Ｉ－ｋｔ，ｅｎ（－ｈ，通过控制 一变 的 疗法，埘过 链接的影响 素进行ｒ研究，僻划每 个ｒｆＩ－变艟 素埘接触Ｉ）‘＝域心力分布的影响、 力 的影响规律． １ 过盈配合有限元模型的建立 迎 的有 摸＇ 材料选择为结构铡． 心辅 总长为３０ Ｉ１Ｉｌｌ１，外 为（１）４８ １１｜ｌ１１，内径为 ４０ １１１１１１；４１１Ｉ 企总长为 ３０ ｌｌｌｌｌｌ。ｓｉｃ．：－小 合外径为 ４０ １１｜１１１，过盈 世人小取（０．０４２ ＩＩＩＩＩＩ，０．０５９ １１１１１１，０．０７６ Ｉｌｌｌｎ）ｌ』、Ｊ径为 ｑ）３２ ｌｌｌｌｌ／轴和 ｔｉ企均采Ｊｌ Ｊ合金钢材，其材料常数为： 性帙毓 ＝２．０Ｉ×１０ Ｐａ， 松比ｖ＝０．２７，材料密 度ＪＤ＝７ ８００ ｋｇ／ｈｉ ．ｆＩ！ｌＪ 的建● 采用中 格式倒人的 力‘法， 尤 Ｓｏｌｉｄ 建立伞心轴与也容什Ｉ，Ｉ，Ｊ 馍， ，干ＩＪｆｌｄ ｆＩ１ Ｉ’曰ｊ十｝｝』ｌ＝ 人 ＩＪ ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｔ－ｈ软ｆ，ｆ： ｌｌｌ进仃过德配合的卡Ｉｌ拟装配．模拟装配过 ｌ 所，Ｊ ． 利ＪＩＪ Ｓｏｌｉｄ ｗ…・ｋｓ缱 维模型，将缱 枷勺 维模 转化为 ｆ１ Ｉ＇ｌｌＪ格式Ｘ—Ｉ的文件， 入刮 ＿＿、 ｓＹＳ＼）＇／ １ ｔ・ｈ Ｉｔ１， 埘网格属性，材料 性进行 ，进行 格的￣ｉ］／Ｌ７僻剑 １ｂ．刚格划分 ｆＪ ，×ｌｆ 包容什施加约 ｆＩＪｆ 移ＪＪｌ】载．方法，对包容什端邴同 定，川时对 ０４ｉｌｌ・端施Ｊｊｌｉ１＇７４移，完成的模拟装 过 ．得到＿『』ｌ】网ｌｔ・所爪模拟装酣后的应 分 【殳１． ２对不同过盈配合影响因素的计算结果分析 ２．１过盈量变化对等效应力的影响的计算研究 本７欠研究ｆ 助ＡＮｓ、Ｓ Ｗｍ，ｋｂ＜－ＩＩ（・ｈ软什，迎过控 制单一影响［大Ｉ崇，观察结 变化的方法，研究过 ｌｉ 大小，埘过 合 域的接触应 分布的影响．小｝欠 实验， ４０ ｎ１１１１孔 轴的 合采片Ｊ ＴＬ；ｈ０，过 ｛ 据罔标ＧＢｌ８０ｌ—ｌ９７９选取Ｈ７／ｎ７、Ｈ７／ｓ６、Ｉ１７Ｉｕ６， 种过盈配合关系，通过汁箅得到最大的过 分圳 是０．０４２ ｌｌｌｎｌ，０．０５９ １１１１Ｉ１，０．０７６ Ｉｌｌｌｌ１．根据控制ｆ’『Ｌ・ 的原理，保持接触宽度，轴 力，包容什外ｆ 人小， 郁小变，单一改变过 ｔｉｌｌ｝｝ 埘 组实验对象进 十Ｉ！拟 装 ．如２罔所爪， ２ａ、２ｂ、２ ｃ－分别代表过 ：ｌ ０．０４２ ｌｎｌｌｌ、０．０５９ ＩＩＩＩＩＩ、０．０７２ １１１１１１位容件的等效心／Ｊ分 布 ，ｌ冬ｉ ２ ｆ１包 ｆ＇ｔ：ｌｆ＂Ｊ心力分 仃明 的规ｆｉｔ ， 靠近边缘的ｆＩ１部…脱ｒ低畸 Ｊｘ：域．ｆ纠３ａ、 、 分 别代表伞心轴的Ｊ、 力分ｍ情况， 心轴外 Ｉ（ｉｉ￣ 诎 Ｉ）＜域 力分布， 现…从・端到乃一端逐ｆ４￣ｆＪｆｆ；Ｊｌｉｉ＇１９ 变化，最大应力集ｆｆｌ划插入端． ４ａ所示 过 为０．０４２ ｌｌｌｎｌ、Ｏ．０５９ １１１１１１、０．０７２ １１１１１１的包容件，从术做 约束端到被约 端Ｖ，ｊ、 Ｊ９－￣ｑｉ情况，从曲线 ４ａ【ｌＪ‘ 知，不Ｍ过盈 卜‘包 什表面的应 分佰均发 』 突变，…班低啦 Ｊ ｌ≮．从 条Ｉｆ｝ｊ线的总体趋势水仃． 接触 域的应乃 大小 过 量大小成ｌＩ 匕．随过 僦 的增加而增Ｊｉｌ１． ４ｈ代表 过盈 ｉ－，轴的 接触 域的等效 Ｊ分 圳Ｉ线．从｝¨１线中＿１ｆ以 …， 轴的接触 域 ，力 ，从 端到 ｊｌ＿一端不断增ＪＪＩｌ，从 不同过盈量Ｘ．Ｊ￣ｌｔ刈‘比发现，轴的接触 ：域 ，Ｊｆ…她 着过能量的增大Ｉｌｌ Ｓｔ ． ２．２接触宽度的变化对应力集中情况影响的研究 对接触宽度的 化刈’心力集中情况的 验，采Ｊ：ｆＪ同样的力‘法，俅持过 量，位容件外 人ＩＪ、， 轴向力 发 变化的情 下，单 改变接触宽 的大小，建立接ｍ虫宽度『Ｊ＝３０、４０、５０ １１１１１１的分析 Ｊ 洲．等：琏于ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ对网卡ｊｍ 过 配合接触鹿力的研究 ・３・ ｒ．． ．．Ｌｒ．．－．．Ｌｒ ．．Ｌ．．．ｒ．．－．．Ｌｒ．．＿．．Ｌｒ．． ．．州 Ⅻ州州 Ⅻ Ⅲ Ｌ 彳：彳： 一 ．一 一 一 一 一ｍ ｍ 一 一 一 一 一 一 － ， 、 、 一 ．一 一 一 一 一 一－ ‘ 』． ●ｆ ｄ ＩＩ ｔ－ ｒ 图２包容件的接触区域应力分布 Ｆｉｇ．２ Ｉｎｃｌｕｄｅ ａ ｃｏｎｔａｃｔ ａｒｅａ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ 图５不同接触宽度包容件的接触区域应力分布 型 ≤茸 蓉颦 Ｆｉｇ．５ ＤｉⅢ Ⅻ ｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｔａｃｔ揪 ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｗｉｄｔｈ ｔｏｌｅｒａｎｃｅ ｏｆ ｃｏｎｔａｃｔ ａｒｅａ 图３轴的接触区域应力分布 Ｆｉｇ．３ Ａｘｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔａｃｔ ａｒｅａ 图６不同接触宽度轴的接触区域应力分布 Ｆｉｇ．６ Ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｔａｃｔ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉ０ｎ ｏｆ ｃｏｎｔａｃｔ ａｒｅａ ０ ５ ｌＯ ｌ５ ２０ ２５ ３０ 】Ｊ】ｆ，兰茸 錾 窖一幕 接触的区域位置 姒 接 差ｉ 一 Ｉｌ ５【Ｉｌ ｌ５ 【】２５“Ｉ ５ ４【】４５ ５ ｃ】５５ ５【】５ １０ ｌ ２《Ｉ ５“｝３５ ４Ｉ】４５ ５１】５５ 川接触ｆ● 图４包容件与轴的应力分布曲线 Ｆｉｇ．４ Ｔｏｌｅｒａｎｃｅ ａｎｄ ａｘｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｉＩ ｌ Ｊ 图７不同接触宽度对接触区应力分布影响曲线图 Ｆｉｇ．７ Ｄｉｉｅｒｅｎｔ ｃｏｎｔａｃｔ ｗｉｆｄｔｈ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔａｃｔ ｚｏｎｅ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ 此实验过 ｝ｆ｝为０．０５９ ｎｌｎｌ，包容件的外径ｑｂ４８ ｉｎｌｌ１． 『殳ｌ ５ａ、５１，、５ ｃ・表爪不 接触宽度下包容件的应 力分 情况．通过对结果的观察分析可知，包容件的 接触 域应 分市受到边缘效应的影响，存靠近边 缘处的巾 部位…现＿ｒ低应力 域．冈６ａ、６ｌ 、６ｃ为 心轴的心力分布情 ，从冈ｒｆＩ可以观察到 心轴 ２．３包容件外径大小对接触应力的影响研究 刈‘包容件外径大小埘配合面的应力分布影响 的研究，是在保证过盈量．接触面的基本直 ，轴向 力，接触宽度。小发乍变化的情况下．甲．一改变包容 件的外径大小，来进行模拟装配过 ．实验分析巾， 建立Ａ径接触面ｑｂ４０ ｉｌｕｎ，轴向 ＝０，接触宽度 的成力分 情况旱现一定的规律性，轴的应力值从 一端剑另一端逐渐增ＪＪＩ１．Ｉ刳７ａ、７ｂ分别代表包容什 轴，存不 宽度影响下接触Ⅸ域的应力ｆｌ｝１线 ．观 ｂ＝３０ ｉｎｉｎ，过值最为０．０５６，包容件外径大小分别足 ４８ ｍｍ、 ５６ ＩＩ１ｎｌ、 ６２ １１１Ｉｌｌ的分析模型．对。＿ｉ个模 进行模拟装配分析，分析情况如图８、 ９所／ｌ ． ８ａ、８ｈ、８（，分别为外 大小（１）４８ ｎｌｌｎ、ｑ）５６ ＩＩ１Ｉ１１、 察『幺１ ７ａ可知，包容件的接触应力在其他影响因素不 变的情况下，随着接触宽度的增加Ｉ，包容件的等效应 力伉降低，宽度越小边缘效应越ｆＪＪ】 ，边缘处应力集 【｝Ｉ越 ．最大应力值越大．『冬Ｉ ７１ 为空心轴的应力 分布．从一端到乃一端应力值逐渐增加，宽度越大应 力值的变化速度越慢，ｆｆｆＪ线的越半缓，边缘处的应力 集ｒ 寿况越不ｆ月１ ． ｑｂ６２ Ｉｌｌ１Ｉ１包容件的接触 域应力分布 ，从分析结果 分析ＩＩＪ‘知，在接近边缘的 域ｍ现低应力区．『车１ ９ａ、 ９１）、９（ 分别是外径为 ４８ Ｉ￣１１１１、 ５６ Ｉｎｌｎ、 ６２ Ｉｎｉｎ的 包容件对应空心轴，接触 域的应力分布情况，从 ・４・ 火津理 Ｉ：大学学报 第３３巷 第３期 初始 域应力值变化都比较平缓，接触巾期 域的 应力位发生＿ｒ急剧增加，包容件 径越大的对应的 轴应力急剧增加的速度越慢．相反包容件半径ｄ，；１９ 等效应力值的急剧增加速度越大． ２．４轴向力对接触区应力影响的研究 研究轴向力对配合 域接触心力的影响所建 的分析模 ，控制单一变量，保持包容件外径，过盈 图８不同外径包容件的接触区域应力分布 Ｆｉｇ．８ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｔｏｌｅｒａｎｃｅ ａｒｅａ ｏｆ ｃｏｎｔａｃｔ 量，接触宽度 变的情况下，单一改变轴向所 载 的力的大小乖¨力的方向，本次实验所建立的模 ， ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉ０ｎ 过盥量为０．０５９ ｍｍ，包容件外径＠４８ ｉｎｍ，接触宽度 ｂ＝３０ ｎｌｌｌｌ，轴向力加载，分四种情况，Ｆ＝±６０ ＭＰａ ｆ¨ Ｆ＝±ｌ３０ ＭＰａ， 代表压 ，负号代表托力．模拟过髓 装配的分析结果如下． １ｌａ、ｌｌＩ）分别代表轴向受６０ ＭＰａ和ｌ２０ ＭＰａ 的压力作用下的配合［ｆ１包容件的等效应力分布 ． “ ｈ （－ 冈Ｊ】ｅ代表空心轴在左右两端未受到力的作ＪＩ１Ｈ，ｔ， 包容件的接触Ｉ 域的应力分布图． １２ａ、ｌ２Ｉ 代表 轴 受到６０ ＭＰａ和ｌ２０ ＭＰａ拉力 作用的配合中 图９不同外径轴的接触区域应力分布 Ｆｉｇ．９ Ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｓｈａｆｔ ｃｏｎｔａｃｔ ａｒｅａ 包容件的等效应 分布 ．冈１２ｅ代表空心轴小受 轴向 时的应力分布图．从 １Ｉａ、ｌｌｌ 分析呵知．轴 向力没有影响边缘效应的¨；现，靠近边缘的ｒｆｌ问 域仍然…现 低应力 ，边缘处…现应力集 ｆＩ．１ Ｉ １２ａ、ｌ２ｂ可知窄心轴的应力分布仍然保持从一端刮 另一端逐渐增加的趋势，边缘处应力值最大． ｒ 香… 心轴的等效应力值，从一端到 一端逐渐 增加，存边缘处ｆｆ ５现最大值． ｊ到１０ａ所爪为小Ｉ叫外径下包容件的接触 域应 力分布情况，包容件的接触ｒｘ：域受边缘效应的影响， 最大等效 ／ｆＪ值ｆｎ现 边缘处。同时在接近边缘的 ｒ…１ １＿ＩＪ部位仃低应力Ｉ 域ｆＩＪ现．从ｌ ｌＯａ的『ｆｆＩ线 可 以看 ，包容件的半径越大，从低应力 剑应力集巾 的边缘处这段 域变化越平缓．包容件半径越大，低 应力 所Ｉ 据的区域范同越大，低应力 域的应力 伉过渡越平缓．包容件半径越大．低应力 的最小等 效 力他和边缘处的最大等效应 值越小．罔１０ｂ 昕示为 心轴的应力分布情 ．从图中可知，接触的 ２８０ ２６０图ｌ １轴向力影响下的包容件接触应力分布图 Ｆｉｇ．１ ｌ Ｉｎｃｌｕｄｅ ａ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ 萋 ２：４０。 蠡２００ 蔫１２０ ．。。８０ 图ｌ０不同包容件直径下的包容件与轴的 接触区域应力曲线图 Ｆｉｇ．１０ Ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｔｏｌｅｒａｎｃｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｔｏｌｅｒａｎｃｅ ｐａｒｔｓ ｉｎ ｃｏｎｔａｃｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｈａｆｔ ｓｔｒｅｓｓ ｇｒａｐｈ ａｒｅａ 图１２不同轴向力影响下的轴接触应力分布图 Ｆｉｇ．１２ Ｄｉｆｅｒｅｎｔ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｈａｆｔ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ２０１７年６月 李亚洲，等：基于ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ对圆柱面过盈配合接触应力的研究 ．５． 图１３ａ、１３ｂ分别代表不同轴向力作用下，包容 件的接触区域应力分布和空心轴的接触区域应力分 布情况．由图１３ａ所示可知，包容件在接触的开始区 接触区域越宽，包容件的应力集中现象越弱，边缘处 的最大等效应力值越小，过盈连接越可靠．包容件外 径大小对应力分布有影响，但实验结果的曲线具有 域与中部区域应力值变化都非常平缓．其中这部分 定的复杂性，总体表现是半径越小，包容件的边缘 一区域的应力值，在不同的轴向力作用下呈现一定的 规律性，１２０ ＭＰａ压力＞６０ ＭＰａ压力＞０作用力＞ ６０ ＭＰａ拉力＞１２０ ＭＰａ拉力．图１３ｂ分析可知，轴的 接触区域应力值分布情况的总体趋势与包容件相 反，１２０ＭＰａ压力＜６０ ＭＰａ压力＜０作用力＜６０ ＭＰａ 拉力＜１２０ ＭＰａ拉力．分析轴向力对应力值分布影响 规律可知，轴向力对包容件应力值的影响，实质上是 轴向力影响了接触区域的过盈量的值．轴在受到压 力时，发生了弹性变形，半径变大，相当于增加了轴 的过盈量．故压力作用下应力值高于没有作用力时 的应力值，高于拉力作用下的应力值． 图１３不同轴向力作用下的包容件与轴应力分布曲线 Ｆｉｇ．１３ Ｄｉｆｅｒｅｎｔ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｏｌｅｒａｎｃｅ ａｎｄ ａｘｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ３结论 １）圆柱面形状的过盈配合应力分布情况，受过 盈量、结合面宽度、包容件直径、轴向力的影响．同时 包容件的应力分布情况近似成对号函数的分布，轴 的应力分布呈现近似于线性分布，包容件与轴都呈 现出边缘效应，包容件的现象更明显，由边缘效应所 产生的应力集中现象，应力值远远高于其他部位的 应力值，这对过盈配合的可靠性产生极坏的影响． ２）过盈量的大小对应力值的影响有着直接对 应的关系，随着过盈量的增加，应力值增加．接触区 域宽度对过盈配合区域应力值分布有一定的影响， 处应力集中越明显，应力值变化越快． ３）轴向力对应力分布影响显著，包容件的区域 应力值分布呈现出的规律为轴两端受到压力时，大 鳞 錾端窜暴 于两端不受力，大于两端受到拉力作用．在承受范围 如Ⅻ珈姗珊瑚 姗 ∞ 内，两端力越大，这种现象越明显．轴的表面接触区 域的应力值分布，在受到拉力作用时，区域的应力值 高于受到压力作用，两端的力越大这种现象越明显． 影响包容件应力值分布的原因，最终可以归结于过 盈量的变化，轴在受到压力和拉力时，发生弹性变 形改变原有过盈量，引起包容件应力分布的变化． 参考文献： ［１］杨广雪，谢基龙，李强，等．过盈配合微动损伤的关键 参数［Ｊ］．机械工程学报，２０１０，４６（１６）：５３—５９． ［２］黄庆学，王建梅，静大海，等．油膜轴承锥套过盈装配过 程中的压力分布及损伤［Ｊ］＿机械工程学报，２００６，４２（１０）： １０２—１０８． ［３］ 陈 连．过盈连接可靠性设计研究［Ｊ］．中国机械工程， ２００５，１６（１）：２８—３０． ［４］ 张洪才．Ａｎｓｙｓｌ４．０理论解析与工程应用实例［Ｍ］．北京： 机械工业出版社，２０１２． ［５］ 刘 江．Ａｎｓｙｓ１４．５ ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ机械仿真实例详解［Ｍ］． 北京：机械工业出版社，２０１４． 『６］ 张杰，韩传军．轴向载荷下空心轴过盈联接的力学特 性［Ｊ］．四川大学学报，２０１３，４５（Ｓ１）：５３—５７． ［７］ 李伟建，潘存云．圆柱面过盈连接的应力分析［Ｊ］．机械 制造与技术，２００８，２７（３）：３１３—３１７． ［８］ 张敬佩，李初晔．过盈配合产生的接触压力和拔出力计 算［ＪＪ．机械设计与制造，２０１０（１０）：１９５—１９７． 『９］王少江，李学明，张安鹏，等．大型焊接齿轮与轴过盈配 合有限元分析［Ｊ］．煤矿机械，２０１５，３６（５）：１３４—１３６． ｆ１０］滕瑞静，张余斌，周晓军，等．圆柱面过盈连接的力学特 性及设计方法［Ｊ］．机械工程学报，２０１２，４８（１３）：１６０－ １６６． ［１１］李伟建，潘存云．圆柱面过盈连接的应力分析［Ｊ］．机械 科学与技术，２００８，２７（３）：３１３—３１７． 『１２］张杰，韩传军．轴向载荷下空心轴的过盈连接力学特 性『Ｊ］．四川大学学报：工程科学版，２０１３（Ｓ１）：５３—５７．
