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行星架过盈连接结构的微动滑移计算

作　者: 张如变
导　师: 王德伦
学　校: 大连理工大学
专　业: 机械工程
关键词: 过盈连接微动滑移有限元后处理程序结构改进
分类号: TH131.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

风力发电的行星架与法兰采用过盈连接,在风力载荷作用下,过盈配合的接触表面会产生小幅的相对滑动,该现象被称之为微动滑移。微动滑移将导致表面磨损、萌生裂纹甚至可能产生微动疲劳失效。本文采用有限元软件Workbench,建立该结构的有限元模型,编写后处理程序,考虑初始装配和工作载荷下,计算前后过盈配合的微动滑移结果,并分析滑移原因、探讨结构形状参数对微动滑移的影响,最后提出改进方案。首先,介绍有限元接触分析基础。在对接触的定义、摩擦模型、接触类型简要说明后,本文从算法原理和典型算例出发,比较各个接触算法在计算滑移量方面的差异。其次,建立准确且经济的有限元模型。包括：模型简化,忽略不必要的结构特征；轴承等效,因为该结构尺寸较大,其结构刚度接近轴承刚度,所以前后轴承不再视为刚性约束,而是采用弹簧等效；网格划分,选择高阶单元,且在过盈连接区域布置细密网格,达到兼顾精度和效率的目的；将整个分析过程分解为装配、预紧和加载三个分析步,模拟原结构的实际工况；网格划分大小敏感度分析。再次,考虑到Workbench只能输出基于初始状态的合成滑移量,所以需要自行编写后处理程序计算滑移矢量,其主要流程：提取各个接触单元在自然坐标系下的微动滑移,经过坐标变换、节点结果平均,得到全局坐标下的滑移结果,然后根据形函数插值获得接触区域的滑移场。采用该后处理程序,逐个分析研究三个分析步：装配阶段、预紧阶段和加载阶段,分别计算各个分析步的滑移结果,并分析不同网格单元大小对滑移幅值的影响。最后,分析滑移原因和结构影响因素,并据此提出改进方案。从结构形式、载荷形式和滑移结果等角度,分析引起后端滑移的原因,并据此提出对微动滑移有影响的若干结构形状参数,采用上述算流程分析其影响大小。根据影响因素分析结果,提出结构改进方案。改进后,后端过盈的最大滑移幅值从原来的40.0μm降低至8.8μm。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 研究背景  10-13
  1.1 行星架过盈连接结构  10-11
  1.2 微动滑移  11-12
    1.2.1 微动危害  11
    1.2.2 微动疲劳  11-12
  1.3 本文的主要工作  12-13
2 有限元接触分析基础  13-24
  2.1 接触对的定义与选择  13-14
  2.2 摩擦模型  14-15
    2.2.1 无摩擦模型  14
    2.2.2 库伦摩擦模型  14-15
  2.3 接触分析结果的种类  15-16
    2.3.1 接触状态  15
    2.3.2 接触压力和摩擦剪应力  15-16
    2.3.3 滑移量  16
  2.4 接触类型的分类  16
  2.5 接触算法的选择  16-21
    2.5.1 罚函数法  17-18
    2.5.2 纯拉格朗日乘子法  18-19
    2.5.3 增广拉格朗日法  19
    2.5.4 其他算法  19
    2.5.5 不同接触算法对滑移量的影响  19-21
  2.6 过盈配合的模拟方式  21-22
  2.7 本章小结  22-24
3 行星架过盈连接结构的有限元模型  24-37
  3.1 模型简化和接触设置  24-25
    3.1.1 模型简化  24-25
    3.1.2 材料属性  25
    3.1.3 接触对设置  25
  3.2 轴承支撑等效  25-31
    3.2.1 获得轴承支撑刚度的两种途径  26
    3.2.2 轴承刚度的推导  26-30
    3.2.3 轴承的弹簧等效模型  30-31
  3.3 单元选择和网格划分  31-33
    3.3.1 选用高阶单元  31-32
    3.3.2 疏密网格搭配  32-33
  3.4 分析步设置  33-34
  3.5 单元大小敏感性分析  34-36
    3.5.1 有限元的误差指标  34-35
    3.5.2 自适应分析  35
    3.5.3 网格疏密对计算结果的影响  35-36
  3.6 本章小结  36-37
4 行星架过盈连接结构的微动滑移计算  37-55
  4.1 后处理程序计算微动滑移的流程  37-42
    4.1.1 自然坐标系中的滑移量定义  37-39
    4.1.2 滑移量的坐标变换  39-40
    4.1.3 节点滑移平均  40-41
    4.1.4 采用形函数插值确定滑移场  41-42
    4.1.5 后处理程序计算的滑移量与Workbench比较  42
  4.2 装配阶段微动滑移的计算结果  42-46
    4.2.1 过盈装配的形变特性分析  43
    4.2.2 计算装配阶段的微动滑移  43-46
    4.2.3 网格疏密对计算结果的影响分析  46
  4.3 预紧阶段微动滑移的计算结果  46-50
    4.3.1 螺母预紧力计算  46-47
    4.3.2 计算预紧阶段的微动滑移  47-50
    4.3.3 网格疏密对计算结果的影响分析  50
  4.4 加载阶段微动滑移的计算结果  50-53
    4.4.1 后端过盈的微动滑移  50-51
    4.4.2 前端过盈的微动滑移  51-52
    4.4.3 网格疏密对计算结果的影响分析  52-53
  4.5 行星架过盈连接结构的微动滑移总结  53-55
5 结构形状参数对微动滑移的影响以及改进方案  55-70
  5.1 法兰端面的载荷等效  55-56
  5.2 过盈的滑移原因分析  56-60
    5.2.1 截面T型法兰结构导致外侧接触压力低  56
    5.2.2 过盈量设计不合理导致外侧接触压力低  56-57
    5.2.3 法兰端面弯矩引起后端局部接触分离  57-60
  5.3 结构形状参数对微动滑移的影响  60-67
    5.3.1 内侧过盈量的影响  60-62
    5.3.2 法兰后端开槽的影响  62-66
    5.3.3 其他结构特征的影响  66-67
  5.4 结构改进方案  67-69
  5.5 本章小结  69-70
结论  70-71
参考文献  71-73
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  73-74
致谢  74-75

行星架过盈连接结构的微动滑移计算

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