注塑机应力集中问题研究

发布日期：2014/9/4 14:03:55

        对于螺纹牙根处的应力分布,无法通过弹性力学方法计算其应力集中系数,但可以通过有限元法进行求解。本课题在AutoCAD图形环境下建立了注塑机拉杆立体模型,通过stl格式转换为螺纹应力集中问题的有限元模型,采用精确的元素类型模拟拉杆螺纹牙根处的形状,计算出应力分布和应力集中系数,优选出应力集中系数较小的牙形。
1    力学模型
        为使研究对象与实际情况相结合,本文以合模力为500t的注塑机作为研究主体。不失一般性,本课题的研究工作对其它吨位的注塑机同样具有指导意义。
        通常一台注塑机共有四根拉杆,这些拉杆承受的载荷用于平衡合模力,因此拉杆所受载荷为拉伸载荷。拉杆结构和载荷都对称于A、B约束面,故只建立了四分之一模型。
1.1    模型尺寸
        考虑到本课题的研究主体为拉杆螺纹,因此只切取包括螺纹在内的一部分拉杆作为计算模型。切取的光杆部分长度为400mm,直径为120mm。模型中共有12道螺纹,其中有6道螺纹与螺母啮合。
1.2    计算载荷
        拉杆拉伸载荷值等于四分之一的合模力,其作用于拉杆中心点。根据圣维南原理载荷作用点与研究主体即拉杆螺纹的距离为螺纹直径的三倍有余,因此载荷形式对研究拉杆螺纹的应力集中情况没有影响。本课题研究模型的计算载荷以集中载荷的形式作用于中心点。
1.3    边界约束根据结构和载荷的对称性,在A、B约束面使Vy=0、Vz=0和Ox=0,螺母与拉杆螺纹的啮合面即约束面C实现全约束Vx=Vy=Vz=Ox=Oy=Oz=0。
2    计算与分析
        本文就不同牙形角对拉杆螺纹牙根处的应力集中系数进行了计算。
        (1)前倾角为30°时,考察了后倾角为30°、25°、20°、15°、10°、5°、0°七种计算模型;
        (2)后倾角为0°时,前倾角为30°、25°、20°、15°、10°、5°、0°七种计算模型。
2.1    应力集中系数计算
        首先在AutoCAD环境中建立三维立体模型。将图形文件转换为stl格式文件。在MSC-NASTRANforWindows2.0环境下,通过赋予材料、确定有限元素类型以及划分网格精度后生成有限元网格图。本文用到的有限元素类型为体元,该元素比较精确地模拟拉杆螺纹牙根处的形状,有利于计算该处的应力集中系数。
        在拉伸载荷作用下,拉杆螺纹牙根处靠近前倾角的部位出现高应力区。为了便于计算应力集中系数,选定螺纹牙根处平均应力为10MPa,即所加载荷P=1808.64N。
2.2    计算结果分析
        (1)高应力集中区只集中在拉杆与螺母第一啮合螺纹牙根处。因为拉杆共有12道螺纹,螺母与拉杆只有6道螺纹相啮合,从计算结果可以看出,除第一啮合螺纹牙根处的等效应力大于平均应力外,其后的螺纹牙根处的应力值都很小。上述应力分布情形与实际情况很吻合,拉杆螺纹螺距是等间距,第一道螺纹首先出现变形,待到该处螺纹变形到一定程度时其后螺纹才会变形,也就是说才会有应力的作用。若拉杆的拉伸载荷较小,第一道螺纹的变形很小,那么其后的螺纹几乎没有应力的作用。
        解决该问题的方法设计齿厚不等的拉杆,第一道螺纹最薄,最后一道最厚,使啮合的螺纹变形协调,受力均匀。
        (2)当前倾角为30°,后倾角在30°~10°之间变化时,最大等效应力基本上没有变化;当后倾角为0°时最大等效应力值最小,其应力集中系数为1.46。
        当后倾角为0°,前倾角为20°时Remax值最大,前倾角为30°时Remax值最小。因此,齿形对拉杆螺纹牙根处的应力集中影响很大。
3    结论
        通过对十四个有限元模型的计算分析,最终设计出如下螺纹为最佳螺纹:
        (1)齿形的前倾角为30°,后倾角为0°,最大等效应力14.6MPa,G=1.46。
        (2)对牙根角以R5进行倒圆,可进一步降低应力集中系数,最大等效应力为12.6MPa,G=1.26。
        (3)为了使所有螺纹受力均匀,必须设计齿厚不等、间距不同的螺纹。

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