Báo cáo khoa học: "lựa chọn kích th-ớc hình học tối -u trong lắp ghép puly với trục dựa trên ph-ơng pháp phần tử hữu hạn (FEM) bằng phần mềm ANSYS"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

133
lượt xem 23
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt: Bài báo đề xuất ph-ơng pháp nghiên cứu hình dáng hợp lý của puly với trục chịu ứng suất thay đổi theo thời gian cho các thiết kế điển hình dựa vào mô hình hoá máy tính bằng ph-ơng pháp phần tử hữu hạn. Phần mềm ANSYS đ-ợc sử dụng để phân tích trạng thái ứng suất cho các mẫu thiết kế và việc tính toán tuổi thọ của các chi tiết dựa theo tiêu chuẩn thí nghiệm của Hiệp hội Cơ khí Mỹ. ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo khoa học: "lựa chọn kích th-ớc hình học tối -u trong lắp ghép puly với trục dựa trên ph-ơng pháp phần tử hữu hạn (FEM) bằng phần mềm ANSYS"

lùa chän kÝch th−íc h×nh häc tèi −u trong l¾p ghÐp puly víi trôc dùa trªn ph−¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n (FEM) b»ng phÇn mÒm ANSYS GS. TS lª v¨n Ngµn Tr−êng C«ng nghÖ cao cÊp, Canada ThS. nguyÔn hoµ ng©n Bé m«n Søc bÒn vËt liÖu Khoa C«ng tr×nh Tr−êng §¹i häc Giao th«ng VËn t¶i Tãm t¾t: Bμi b¸o ®Ò xuÊt ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu h×nh d¸ng hîp lý cña puly víi trôc chÞu øng suÊt thay ®æi theo thêi gian cho c¸c thiÕt kÕ ®iÓn h×nh dùa vμo m« h×nh ho¸ m¸y tÝnh b»ng ph−¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n. PhÇn mÒm ANSYS ®−îc sö dông ®Ó ph©n tÝch tr¹ng th¸i øng suÊt cho c¸c mÉu thiÕt kÕ vμ viÖc tÝnh to¸n tuæi thä cña c¸c chi tiÕt dùa theo tiªu chuÈn thÝ nghiÖm cña HiÖp héi C¬ khÝ Mü. CT 2 Summary: The article studies the optimized geometry of the form for the shrink - fitted hub – shaft joint subjected to fatigue by computational modeling. Finite element code ANSYS is used for stress analysis and the fatigue life of the shrink - fitted hub - shaft is estimated following the standard of ASME code. I. §Æt vÊn ®Ò Tõ khi nghiªn cøu ®é bÒn mái cña c¸c chi tiÕt m¸y ®Õn nay, c¸c nhµ b¸c häc ®−a ra c¸c lý thuyÕt mái nghiªn cøu sù phï hîp cña vËt liÖu vµ chi tiÕt m¸y trong tr−êng hîp øng suÊt thay ®æi theo thêi gian. Môc ®Ých chung cña c¸c thuyÕt nµy lµ t×m ra kÕt cÊu thÝch hîp, t¹o lËp ra c¸c thuyÕt bÒn vµ c¸c ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n ®Ó ¸p dông trong thùc tÕ kü thuËt ®¶m b¶o cho m¸y mãc vµ c«ng tr×nh lµm viÖc cã tuæi thä cao cho phÐp. ViÖc ph©n tÝch mái hiÖn t¹i cã hai h−íng gi¶i quyÕt: mét lµ ph¸t triÓn lý thuyÕt mái vµ hai lµ th«ng qua thùc nghiÖm ®Ó t×m ph−¬ng ph¸p chÕ t¹o tèi −u tõ ®ã ta cã thÓ t×m c¸c tham sè, hÖ sè vµ cã thÓ øng dông ngay vµo s¶n xuÊt. XuÊt ph¸t tõ ý t−ëng gi¶i quyÕt bµi to¸n ph©n tÝch mái b»ng ph−¬ng ph¸p thùc nghiÖm nªn c¸c t¸c gi¶ ®· ®Ò xuÊt h−íng gi¶i quyÕt nh− sau: trong c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn ®é bÒn mái cã sù tËp trung øng suÊt, kÝch thÝch h×nh häc, ®é nh¸m bÒ mÆt, tr¹ng th¸i øng suÊt (thuÇn nhÊt hay kh«ng thuÇn nhÊt) vµ tÇn sè t¶i träng.
Do vËy tr−íc khi tiÕn hµnh c¸c thÝ nghiÖm thùc tÕ b»ng c¸c mÉu thÝ nghiÖm nh»m ph©n tÝch mái cña puly víi trôc, c¸c t¸c gi¶ ®· tiÕn hµnh kh¶o s¸t c¸c yÕu tè nµy vµ th«ng qua sù hç trî cña phÇn mÒm ANSYS (ph−¬ng ph¸p PTHH), c¸c t¸c gi¶ ®· t×m ®−îc ¶nh h−ëng cña tham sè ®Çu tiªn, sù tËp trung øng suÊt do sù thay ®æi kÝch th−íc ®ét ngét. ë giai ®o¹n nghiªn cøu nµy chØ giíi h¹n t×m d¹ng h×nh häc hîp lý cña puly víi trôc nh»m t¨ng tuæi thä cña chi tiÕt. II. Giíi thiÖu chung vÒ puly víi trôc Puly víi trôc lµ chi tiÕt mµ chóng ta th−êng hay gÆp trong lß quay xi m¨ng, truyÒn ®éng b¨ng t¶i… Th«ng th−êng tang trèng (Puly) ®−îc ghÐp chÆt víi trôc l¨n. Sù cè ®Þnh t−¬ng ®èi gi÷a hai chi tiÕt l¾p ghÐp ®¹t ®−îc lµ do søc c¨ng gi÷a hai bÒ mÆt tiÕp xóc cña chi tiÕt. Søc c¨ng ®ã ph¸t sinh do t¸c ®éng cña biÕn d¹ng líp vËt liÖu bÒ mÆt tiÕp xóc vµ tØ lÖ víi ®é d«i cña l¾p ghÐp. Trong ®a sè tr−êng hîp l¾p ghÐp th× ®é d«i g©y ra biÕn d¹ng ®µn håi cña bÒ mÆt tiÕp xóc [1]. L¾p chÆt ®−îc thùc hiÖn b»ng ph−¬ng ph¸p nung nãng chi tiÕt bao. Khi l¾p r¸p, ng−êi ta nung nãng puly ®Õn khi ®−êng kÝnh trong cña nã réng h¬n ®−êng kÝnh ngoµi cña trôc th× ng−êi ta lång puly vµo trôc ®óng vÞ trÝ råi ®Ó nguéi l¹i ®Õn nhiÖt ®é th−êng, khi nµy puly co l¹i vµ siÕt chÆt trôc. T¹i bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a puly vµ trôc sÏ xuÊt hiÖn øng suÊt cã tr−íc (¸p lùc riªng), ®−îc tÝnh theo ph−¬ng tr×nh LamÐ cña bµi to¸n mèi ghÐp èng dµy, ¸p lùc riªng ®−îc giíi h¹n bëi gi¸ trÞ cho phÐp lín nhÊt ®Ó ®¶m b¶o kh«ng ph¸t sinh biÕn d¹ng dÎo t¹i bÒ mÆt tiÕp xóc (trang 58 – 64 [1]). T¹i chç ghÐp, trôc chÞu tËp trung øng suÊt do thay ®æi ®ét ngét tiÕt diÖn, do ®ã vÕt nøt lu«n CT 2 lu«n x¶y ra trªn trôc gÇn hai ®Çu tiÕp xóc víi puly. Ch¼ng h¹n s¬ ®å cña puly víi trôc trong kÕt cÊu lß quay xi m¨ng minh häa trªn h×nh 1, øng suÊt tËp trung sÏ xuÊt hiÖn trªn tiÕt diÖn AB, CD. H×nh 1. GhÐp chÆt Puly víi trôc §Ó gi¶m bít tËp trung øng suÊt ®èi víi mèi ghÐp nµy, ng−êi ta dïng biÖn ph¸p v¸t mÐp (khoÐt r·nh) puly hoÆc lµm t¨ng ®é mÒm cña mÐp puly, khi ®ã ¸p suÊt riªng gi÷a trôc vµ mÐp puly gi¶m xuèng vµ øng suÊt ph©n bè trong mèi ghÐp ®−îc ®Òu h¬n. H×nh d¹ng vµ kÝch th−íc cña c¸c r·nh khoÐt ®· ®−îc nhiÒu t¸c gi¶ nghiªn cøu [2, 3, 4].
Tuy nhiªn bµi to¸n vÉn ch−a ®−îc gi¶i quyÕt mét c¸ch tèi −u ®Ó ¸p dông vµo thùc tiÔn s¶n xuÊt. III. Ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n B»ng phÇn mÒn ANSYS, t¸c gi¶ ®· m« h×nh ho¸ ba mÉu cho l¾p ghÐp puly víi trôc cã kÝch th−íc nh− thùc tÕ víi thiÕt kÕ h×nh häc tõ ®¬n gi¶n nhÊt DS1 ®Õn DS2 ¸p dông ph−¬ng ph¸p lµm mÒm mÐp puly vµ DS3 lµm mÒm puly vµ trôc. Víi kÝch th−íc h×nh häc nh− thùc tÕ, t¶i träng t¸c dông lªn chi tiÕt lµ m«men xo¾n Mp vµ lùc däc trôc Fp nh− trong thùc tÕ, hÖ sè an toµn ®−îc chän; vËt liÖu cña puly vµ trôc ®−îc chän lµ thÐp siªu bÒn AISI 4340 vµ AISI 4140 theo tiªu chuÈn vËt liÖu Mü (American Society for Metals, ASM 6414 (1990)) víi øng suÊt cho phÐp [σ], m« ®uyn ®µn håi E, hÖ sè d·n në α, ®é nh¸m Ra, hÖ sè Poisson μ (xem b¶ng C theo ASM), ta dïng phÇn mÒm AUTODESK INVENTOR 10 ®Ó tÝnh ®−îc ®é d«i vµ dung sai cho phÐp. 1 Sau khi thiÕt kÕ h×nh häc cho c¸c mÉu th× ta dïng phÇn mÒm ANSYS (ph−¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n) ®Ó cã ®−îc tr¹ng th¸i øng suÊt. Tõ ®ã ta cã thÓ quan s¸t ®−îc nh÷ng miÒn chÞu øng suÊt tËp trung vµ nh÷ng miÒn Ýt chÞu øng suÊt, qua ®ã ta cã thÓ c¾t bá hoÆc thiÕt kÕ l¹i chi tiÕt cã kÝch th−íc h×nh häc hîp lý h¬n (tiÕn triÓn tõ mÉu DS1 ®Õn mÉu DS3). Víi mçi mÉu, th«ng qua biÓu diÔn cña tr−êng øng suÊt ta t×m ®−îc gi¸ trÞ cña øng suÊt biªn ®é cña chu tr×nh vµ sau ®ã dïng trùc tiÕp b¶ng tra ®Ó t×m ®−îc sè chu tr×nh t−¬ng øng víi tuæi thä t−¬ng øng theo tiªu chuÈn thÝ nghiÖm hiÖp héi c¬ khÝ Mü (ASME code) víi vËt liÖu ë m«i CT 2 tr−êng nhiÖt ®é d−íi 3570C (700 F) (b¶ng tra B). 1. KÝch th−íc h×nh häc cña mÉu C¸c mÉu ®−îc thiÕt kÕ nh− sau: §−êng kÝnh trong cña puly ChiÒu dµi mèi Ký hiÖu §−êng kÝnh ngoµi sau khi l¾p ghÐp a (mm) b1 (mm) mÉu cña puly D1 (mm) ghÐp L (mm) D (mm) DS1 1829 559 915 549 0 DS2 1829 559 915 549 0 DS3 1829 565 864 574 1016 1 §−êng dÉn ch−¬ng tr×nh: AUTODESK INVENTOR 10 (Tool/Design Accelerator / Component Generators/ Press Fit)
d H×nh 2. MÉu l¾p ghÐp DS1 H×nh 3. MÉu l¾p ghÐp DS2 H×nh 4. MÉu l¾p ghÐp DS3 2. T¶i träng t¸c dông M« men uèn t¹i vÞ trÝ A: M = W.a/2 víi W lµ t¶i träng CT 2 øng suÊt do uèn t¹i A: σ = ± 32M/(πD3) = ± 16Wa/(πD3) 3. øng suÊt tr−íc do ghÐp chÆt Gi¸ trÞ øng suÊt tr−íc do ghÐp chÆt phô thuéc vµo ®é d«i vµ thiÕt kÕ h×nh d¹ng cña chi tiÕt (R lµ b¸n kÝnh gãc l−în trªn trôc l¨n, phô thuéc vµo tû sè d/D). øng suÊt tr−íc B¸n kÝnh øng suÊt tr−íc ë ë gi÷a phÇn STT Ký hiÖu §é d«i gãc l−în cña vai trôc pA ghÐp chÆt p (kN/mm2) trôc l¨n (kN/mm2) MÉu 1 DS1 0.0015/1 0 141 351 MÉu 2 DS2 0.0015/1 0 141 179 1/4 R 96 86 MÉu 3 DS3 0.00075/1 1/8 R 96 61 Nh÷ng gi¸ trÞ cña p vµ pA ph¶i tháa m·n ®iÒu kiÖn kh«ng cã quay vµ tr−ît t−¬ng ®èi gi÷a puly vµ trôc.
Tr¹ng th¸i øng suÊt ®−îc minh ho¹ bëi h×nh 5. H×nh 5. Ph©n tÝch mÉu DS1 b»ng phÇn mÒm ANSYS HÖ sè tËp trung øng suÊt ®−îc tÝnh b»ng c«ng thøc: K = 1.05 + 0.46 pA/σ Cho tØ sè L/D tõ 1.53 ®Õn 1.64 (tra b¶ng A cña ASME code) CT 2 4. KÕt qu¶ tÝnh to¸n B¶ng B cña ASME chØ ra tuæi thä cña puly víi trôc t−¬ng øng víi sè chu tr×nh. σmax = σ.K HÖ sè tËp trung Sè chu tr×nh pA/σ MÉu L/D øng suÊt K N 2 (kN/mm ) 105 DS1 1,64 5,050 3,373 234,9 1,5 x 107 DS2 1,64 2,574 2,234 155,7 > 108 DS3 (1/4R) 1,53 1,225 1,614 133,7 > 108 DS3 (1/8R) 1,53 0,863 1,447 101,9 IV. KÕt luËn Tõ kÕt qu¶ trªn c¸c t¸c gi¶ ®i ®Õn nhËn xÐt nh− sau: - MÉu DS1 lµ thiÕt kÕ cã tuæi thä kÐm nhÊt, víi sè tuæi thä t−¬ng øng víi 105 chu tr×nh. - MÉu DS2 ®−îc c¶i thiÖn h¬n so víi mÉu sè 1 vÒ tuæi thä t−¬ng øng lµ 1,5 x 107 chu tr×nh.
- MÉu DS3 lµ thiÕt kÕ tèt nhÊt trong ba mÉu víi tuæi thä t−¬ng øng víi sè chu tr×nh lín h¬n 108 chu tr×nh. Tr−êng hîp trôc thay ®æi (d¹ng bËc t¹i vai trôc cã gãc l−în), víi b¸n kÝnh gãc l−în lµ 1/4R, hÖ sè an toµn lµ 1.33 vµ cho tr−êng hîp t−¬ng tù nh− gãc l−în cã b¸n kÝnh 1/8R lµ 1.49. HÖ sè an toµn b»ng tû sè cña øng suÊt biªn ®é lín cho phÐp cho thÐp mÉu víi t−¬ng øng víi sè chu tr×nh 108 víi øng suÊt biªn ®é cña chi tiÕt ®ang nghiªn cøu (gi¸ trÞ øng suÊt biªn ®é cho phÐp xem b¶ng tra B). - MÉu sè 3 còng chØ ra r»ng kh«ng nªn t¨ng b¸n kÝnh gãc l−în trªn trôc v× khi ta gi¶m b¸n kÝnh gãc l−în trªn trôc 1/4R ®Õn 1/8R th× hÖ sè an toµn t¨ng lªn tõ 1.33 ®Õn 1.49. - Mét yÕu tè tham gia n÷a lµm ¶nh h−ëng ®Õn tuæi thä cña chi tiÕt lµ ®é d«i; ®é d«i cµng bÐ th× tuæi thä cïng ®−îc n©ng cao. §Ò nghÞ ®èi víi chi tiÕt nµy tr¸nh lÊy ®é d«i nhá h¬n b»ng 0,00075/1. Tõ ®ã ta cã thÓ ®−a ®Õn kÕt luËn vÒ nh÷ng tham sè chung lµm t¨ng tuæi thä cña puly víi trôc lµ: 1. Gi¶m kho¶ng c¸ch a (a lµ kho¶ng c¸ch gi÷a ®Çu trôc vµ vai trôc, a t¨ng lµm t¨ng øng suÊt trong thanh vµ lµm gi¶m hÖ sè an toµn). 2. T¨ng ®−êng kÝnh trôc t¹i ®iÓm tiÕp xóc A (vai trôc) 3. Gi¶m gi¸ trÞ ®é d«i. 4. T¹i vai trôc kh«ng nªn cã gãc l−în trªn trôc (so s¸nh DS2 vµ DS3) hoÆc chØ cã gãc l−în víi b¸n kÝnh nhá 1/4R. CT 2 Tæng quan cña bµi to¸n: t−¬ng tù b»ng ph−¬ng ph¸p PTHH ta cã thÓ kh¶o s¸t mét lo¹t c¸c ph−¬ng ¸n vµ dïng ph−¬ng ph¸p thèng kª ®Ó t×m ra ®−îc kÕt cÊu tèi −u. H×nh 6. MÉu DS2 víi ®é d«i lμ 0,0015/1
H×nh 7. MÉu DS3 víi b¸n kÝnh gãc l−în lμ 1/4R vμ 1/8R CT 2 B¶ng A HÖ sè tËp trung øng suÊt K cho tr−êng hîp DS1 (theo ASME code) Khi L/D ≈ 1.6 th× K = 1.05 + 1.15 p/σ; Víi pA ≈ 2,5p th× c«ng thøc trë thμnh K = 1.05 + 0.46 pA/σ
B¶ng B B¶ng quan hÖ gi÷a øng suÊt biªn ®é vμ tuæi thä (sè chu tr×nh) theo Tiªu chuÈn thÝ nghiÖm cña HiÖp héi C¬ khÝ Mü (ASME code) dïng cho vËt liÖu c¸c bon, hîp kim nghÌo vμ thÐp siªu bÒn lμm viÖc ë nhiÖt ®é d−íi 3570C (700 F) VËt liÖu lµm puly (thÐp VËt liÖu lµm trôc (thÐp ChØ tiªu c¬ lý cña mÉu thÐp siªu bÒn AISI 4340) AISI 4140) M« ®uyn ®µn håi E (GPa) 210 210 CT 2 HÖ sè Poisson, μ 0,3 0,3 472,3 417,5 øng suÊt cho phÐp(GPa) HÖ sè d·n në nhiÖt α (10 - 6/oC) 11,5 12,3 §é nh¸m cho tr−íc Ra (μm) 2 1,6 3,2 B¶ng C ChØ tiªu c¬ lý cña vËt liÖu Puly víi trôc theo tiªu chuÈn vËt liÖu Mü (American Society for Metals, ASM 6414 (1990). Tµi liÖu tham kh¶o [1] Ninh §øc Tèn. Dung sai vμ l¾p ghÐp. Nhµ xuÊt b¶n Gi¸o dôc, 2004. [2] M. F Spott. Design of Machine Element. 8th Edition, Prentice Hall. INSN 013089891 [3] A. Ozel, S. Temiz, M. D Aydin & S. Sen. Stress analysis of Shrink - fitted joints for various fits forms via finite element method, Materials ans design 26. 9p, 2005. [4] Y. Zhang, B. McClain, X. D Fang. Design of interference fits via finite element method, Department of Mechanical Engineering, Iowa State University, Ames, IA. [5] American Society of Mechanical Engineering (ASME) code 2 Ra: §é nh¸m khi thiÕt kÕ vμ khi gia c«ng th× yªu cÇu ph¶i ®¹t ®−îc