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    法蘭接頭的碟形彈簧有限元分析

    發(fā)布于:2023-12-11 20:05
    有限元分析

          碟形彈簧是用金屬板或鍛壓坯料制成的截錐形壓縮彈簧,具有軸向尺寸小、剛度大、變剛性等特點(diǎn)。普通碟形彈簧(以下簡(jiǎn)稱(chēng)普通碟簧)可以分為無(wú)支撐面和有支撐面兩種,主要用于緩沖和減震的場(chǎng)合。普通碟簧的載荷-變形關(guān)系數值解常用的理論計算方法是Almen-Laszlo(簡(jiǎn)稱(chēng)A-L)解析法,該法忽略了撓曲變形的影響,只適用于R/r較大、h/t較小的場(chǎng)合,F行國標的載荷-變形計算也正是采用此計算方法。而對于法蘭接頭用碟形彈簧(以下簡(jiǎn)稱(chēng)本文碟簧)的設計計算,A-L法并不適用。
          本文碟簧適用于法蘭接頭連接的場(chǎng)合,尤其是當法蘭接頭連接件長(cháng)期處于高溫環(huán)境下工作或受到溫度和壓力波動(dòng)時(shí),必然會(huì )導致螺栓和墊片等重要部件產(chǎn)生塑性變形,從而降低了螺栓的預緊載荷,也降低了墊片應力。當墊片應力降低到一定程度而不足以維持其密封狀態(tài)時(shí),則發(fā)生泄漏。為了解決上述問(wèn)題,考慮在螺母與法蘭之間適當地加裝本文碟簧,如圖所示。當系統發(fā)生塑性變形時(shí),本文碟簧將釋放變形能,以有效地補償螺栓的預緊載荷,阻止墊片應力的降低,繼續維持法蘭接頭的良好密封性能。
          普通碟形彈簧的力學(xué)模型與參數符號如圖所示,令D=2R,d=2r。由于本文碟簧與普通碟簧的用途不同,決定了其結構尺寸、載荷-變形特性的不同。例如,本文碟簧的徑向尺寸更小、碟片厚度更大,h/t=0.05~0.1,D/t<12,D/d≈1.75;而國標中的普通碟簧尺寸參數范圍為h/t=0.4、0.75、1.3,D/t=18、28、40,D/d≈2.0,附錄B(非常用碟簧尺寸系列)也并未包含適合法蘭接頭用碟簧的尺寸系列。
          碟簧的有限元分析模型如圖所示。圖是本文不計摩擦時(shí)的二維軸對稱(chēng)有限元模型,在右下端的支點(diǎn)處固定其軸向位移,徑向約束自由,在左上端點(diǎn)施加軸向載荷,采用多載荷步求解。此模型在以前的諸多文獻中大有所在。有限元采用二維軸對稱(chēng)平面單元Plane82。圖是本文計及摩擦時(shí)的二維軸對稱(chēng)有限元模型,中間處是碟簧模型,上、下處是剛性平臺模型,有限元采用二維軸對稱(chēng)平面單元Plane82,與碟簧接觸處加入點(diǎn)面接觸單元Conta175,摩擦系數0.3。下剛性平臺的下端固定,上剛性平臺施加適當的約束,只允許相對于下剛性平臺平動(dòng)(靠近或遠離);在上剛性平臺的上端施加載荷,也采用多載荷步求解。加上、下剛性平臺模型有如下好處:(1)可以模擬存在摩擦力的情況;(2)碟簧的受力特點(diǎn)較接近試驗平臺以及實(shí)際應用裝置。這樣的有限元模型主要是針對本文碟簧摩擦力不可忽略的情況。
          ANSYS有限元軟件對碟簧模擬的驗證模擬值如表1中FEA之列所示,A-L公式計算值如表1中A-L公式之列所示,分別將其與精確解做比較,并分別計算相對誤差。求解過(guò)程都只考慮彈性變形。
          有限元模型及邊界條件如圖所示,Di為碟簧內徑,Do為碟簧外徑,t為碟簧厚度,h為自由高度。E=2.06×105MPa,μ=0.3。上述的幾款碟簧很具有代表性,其載荷-位移曲線(xiàn)包括了單調遞增的非線(xiàn)性曲線(xiàn)、接近線(xiàn)性的曲線(xiàn)以及具有負剛度的曲線(xiàn)。從大量的有限元模擬數據來(lái)看,ANSYS對碟簧的非線(xiàn)性曲線(xiàn)的模擬十分準確,可以用作設計參考。


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