基于光弹实验的销轴连接有限元分析方法研究

摘要

现代钢结构中，销轴连接作为一种重要的连接形式广泛应用于起重机及其它各类起重设备中，其主要特点是传力明确、构造简单。典型的销轴连接受力状态为销轴的多面剪切和孔壁的集中挤压，其局部结构和内部应力状态十分复杂，目前关于销轴连接的计算方法计算精度不足，设计过程中通常选用较大的强度储备来弥补，造成一定的浪费。因此，深入研究销轴连接的载荷作用机理、应力分布和设计方法，对于指导工程设计和促进结构轻量化具有重要意义。
　　本文以典型的履带起重机变幅拉板的销轴连接为例，基于相似理论，采用变态模型光弹实验和结构有限元计算相结合的方法，分析销轴连接受力特性，研究销孔拉板的应力状态。在研究过程中，首先依据拉板的几何特征和光弹实验条件制作变态光弹实验试件，设计并完成光弹实验;其次结合数字光弹性软件Digital Photoelasticity和数据处理软件Origin得到挤压应力实验结果;然后根据相似理论相关知识，推导销轴连接的变态试验相似率，获得工程原型的挤压应力大小及分布;接着以结果为导向，确定与相似理论结果吻合度最高的ANSYS接触模块的实常数设置;最后根据有限元结果验证手册中挤压应力计算公式。
　　光弹实验和有限元分析均证明，拉板上的最大挤压应力位置不在载荷线上，而在对称轴两侧;σ=（P/h，L，μ）是线弹性平面应力问题的相似判据，即线弹性范围内的平面应力与材料的弹性模量无关;摩擦系数0.1、许用穿透0.1、罚刚度0.35是工程原型ANSYS接触分析的准确实常数设置，其中罚刚度的范围可扩展为0.3～0.4，与光弹实验和相似理论结果吻合度较好，满足应力大小和分布的双标准评定条件;机械设计手册的挤压应力计算公式结果与有限元分析结果基本一致，偏差在3.5％左右。
　　本文基于对销孔拉板的变态模型光弹实验结果，推导了销轴连接的变态实验相似率，提出了销轴连接有限元算法的合理实常数设置，其结果可以作为销轴设计和校核的参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 销轴连接概述

1．2 问题的提出

1．3 国内外研究现状

1．4 课题研究的内容

1．5 本章小结

2 销轴连接常用算法

2．1 Hertz接触理论

2．2 曲梁理论

2．2．1 危险截面内力计算

2．2．2 危险截面应力公式

2．3 简化算法

2．4 有限单元法

2．5 本章小结

3 销轴连接的变态模型光弹实验

3．1 光弹实验法简介

3．1．1 光学偏振基本理论

3．1．2 平面应力-光弹性定律

3．1．3 干涉条纹的分析--等倾线与等差线

3．2 数字光弹法

3．2．1 相移法

3．2．2 剪应力差法

3．3 实验设计

3．3．1 制备实验模型

3．3．2 确定实验载荷

3．3．3 实验步骤及过程

3．4 图像处理与应力分析

3．4．1 分析软件简介

3．4．2 图像处理

3．4．3 应力状态判断

3．4．4 特征线上应力分布

3．5 本章小结

4 销轴连接的变态实验相似律

4．1 “相似”的概念

4．2 相似理论

4．2．1 第一定理--相似正定理

4．2．2 第二定理--π定理或因次定理

4．3 相似准则分析方法

4．4 销轴连接变态模型相似律的推导

4．5 本章小结

5 销轴连接的有限元分析方法探究

5．1 ANSYS软件及其理论介绍

5．1．1 ANSYS软件介绍

5．1．2 接触算法

5．2 工程原型的ANSYS算法

5．2．1 模型建立分析

5．2．2 有限元几何模型建立

5．2．3 边界条件及约束方程

5．2．4 计算及后处理

5．3 工程接触实常数设置探究

5．3．1 接触实常数影响趋势

5．3．2 工程实际接触选项设置

5．4 挤压应力公式验证

5．5 本章小结

结论与展望

参考文献

附录A 其它载荷工况下光弹实验结果曲线及数据汇总表

致谢