千斤顶是一种常见的机械装置,用于提升重物或产生力量,通常由一个可伸缩的柱子和一个活塞组成。它的主要作用是通过施加力量来提升或支撑重物,或者用于调整物体的位置。下面我们使用abaqus有限元分析软件对千斤顶进行模拟仿真和结构力学进行分析。
使用abaqus/standard的非线性功能,我们对某螺杆式千斤顶的结构进行了分析,采用了初始过盈配合技术进行求解。我们研究了该结构的变形和应力分布情况。
螺旋千斤顶,特别适合于小型和轻型起重任务,是一种常见的起重设备,广泛用于提升、运输、装卸、安装及某些特殊工艺操作。其最简单的形式是直接用手柄驱动螺杆,这种千斤顶已成为一般小型轿车的标准配件之一,主要用来顶举汽车,方便更换轮胎。
图 1 螺杆式螺纹千斤顶结构
(a 为上啮合齿;b 为下啮合齿;c 为螺杆齿销;d 为手动柄安装部位)
如图1所示,典型的螺旋式螺纹千斤顶利用螺杆和啮合齿的配合实现顶举功能。在工作时,载荷从上部通过啮合齿和支撑杆向下传递,而手柄端并不承担载荷。螺杆主要起横向固定作用,并将载荷通过下支撑杆传递到下啮合齿及底座上。
接触算法
abaqus/standard采用迭代法处理接触问题,在每个加载步骤开始时,它会检查所有接触相互作用的状态。如果从属节点处于闭合状态,它会进一步判断是处于滑动还是粘结,然后对接触状态进行相应的处理。对于从闭合状态变为开放的节点,abaqus/standard会解除对其的约束。然后,它会对模型进行迭代,并利用修正值进行更新,以获得更精确的结果。
模型
为重点关注啮合齿与螺杆螺纹配合部位的接触,我们建立了实体网格单元,主要采用六面体网格单元c3d8i。使用connector单元模拟转动轴,以准确处理其运动和受力情况。在啮合齿和螺杆螺纹部位建立了接触关系contact,以模拟实际接触行为。同时,其他部位使用tie连接,以保证结构整体性。
图 3 千斤顶结构有限元模型
(a1 为千斤顶;a2 为螺杆及销;a3 为啮合齿)
在螺纹配合和啮合齿接触部位,存在少量过盈量。为了实现接触配合,我们可以使用contact interference和shrink关键字。更多相关信息可以在abaqus帮助文件中找到。
材料
螺杆及销材料为 45 号钢,钣金件为 st12。
边界条件
我们考虑千斤顶的工作状况,因此主要考虑下端支撑面的边界条件,这里约束了所有的自由度。加载的载荷主要是上端顶举部件的重量。针对轿车,我们以一定比例的整备质量作为施加的载荷,作用在千斤顶的上端面。
结果分析
图 4 千斤顶整体以及螺杆变形
图 5 千斤顶整体应力分布及螺杆和啮合齿的应力分布
根据变形云图,千斤顶的整体变形量约为0.86mm,螺杆的变形量约为0.65mm,这个变形量相对较小。从结构上看,整体的应力分布均匀,没有超过材料的屈服极限。对于螺杆的应力,主要集中在接触齿和齿根处,而啮合齿的应力主要分布在齿上。
abaqus/standard依靠其强大的非线性分析功能和卓越的接触算法收敛性,能够出色地解决各种复杂的接触问题。此外,通过利用shrink功能,它可以自动计算过盈配合,从而有效分析螺纹配合、啮齿配合等接触问题。该软件能够合理地分布应力,进一步提高了接触问题分析的准确性和效率。
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