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第5期 魏钢城等：热轧带钢R2粗轧机下主传动轴断裂有限元分析与应用 .509 圆为498.5mm,轴与轴承相配处外圆直径为 轴承内圈相接触的外表面上，最大应力中心距离轴 775mm,即该处的壁厚为138.25mm(本模型在轴 承止推截面12.5mm,与实际裂纹发生部位相符 与轴承相配处没有考虑倒角等细微尺寸)·当不考 另外，从轴向应力分布图可以看出，传动轴在受扭作 虑弯曲应力仅仅考虑轴只承受扭矩作用且所有外力 用下，其应力沿轴向的分布除薄弱区段有变化外，其 都以支撑托架中心截面为对称面时（该面由于载荷 余轴段应力相同， 的对称性，截面在应力应变的关系中具有中性层的 2.2传动轴受弯条件下等效应力 意义即应力应变均应为零)，轴支撑托架中心截面施 传动轴受弯条件应力分析模型与受扭模型结构 加固定约束和另一断面施加扭矩，材料模型选为 相同，不同的是在轴的载荷截面上施加x正方向的 42CrMo的材料模型3]. 集中力，集中力与模型长度的乘积之和等于 模型采用在断轴界面处沿轴向进行网格细化到 6300kNm,即与扭矩载荷相等：最大应力分别出现 0.2mm后去掉相应裂纹的单元数来进行仿真，计算 在轴与轴承内圈相接触的中心外表面和距离轴承止 了具有长60mm、深50mm裂纹的传动轴和具有长 推截面12.5mm的外表面上，且最大应力并不是分 150mm、深85mm裂纹的传动轴最大应力 布在整个圆环上，而仅仅分布在两个相同的园弧上 1.2固定端面与载荷截面的确定 (见图3和图4)：最大应力达到240.2MPa,已经超 模型中，轴的固定约束只能是在受力对称的中 过在相同扭矩作用下的最大应力值，且弯矩的大小 心截面（便于计算在轴两端施加弯扭力矩的计算）或 还应考虑弯矩力作用点到轴中心截面的长度尺寸， 者两端截面（便于计算在轴中心截面施加弯曲力的 模型当中仅仅使用了最短的长度尺寸，因而轴的弯 计算)·前者为本文选取的固定约束形式，其特定条 曲应力比轴的扭矩应力更具有危险性， 件是载荷必须关于中心截面对称，优点为轴的长度 尺寸可以灵活确定，便于有限元软件建立相对节点 2.402×10P 2.172×10 较少且适合现有计算机计算能力的模型；后者有利 1941×10P 于计算油缸的托起力引起的轴弯曲应力，但考虑到 1.710×10 1.480×102 轴的长度尺寸较大，如果按照实际长度建立有限元 1249×10 模型，模型节点数将超出计算机计算能力，因此两端 1018×10P 截面约束为不适宜的固定约束方式，考虑模型的对 7878×10 5.572×10 称性，最终确定的模型如图2所示， 3.265×101 9590×10° 图3设计轴受弯三维应力分布图 Fig.3 3D stress distribution field of the drive spindle under bend- ing 2.402×10 2.172×10 1.941×10 1.710×102 1.480×10 1249×10 图2传动轴有限元分析模型 1018×10 Fig-2 Finite element model of the main drive spindle 7.878×101 5.572×10 2传动轴受弯扭作用的等效应力分析 3265×10 9.590×10㎡ 2.1传动轴受扭条件下等效应力 由传动轴在6300kNm扭矩条件下有限元分 图4设计轴受弯应力分布切片图 析三维等效应力分布图]可知：最小应力约 Fig.4 Stress slice field of the drive spindle under bending 27MPa,最大应力达到196.1MPa,最大应力在轴与 由于传动轴的应力应变在线弹性范围以内，轴圆为 ●498∙5mm轴 与 轴 承 相 配 处 外 圆 直 径 为 ●775mm即该处的壁厚为138∙25mm（本模型在轴 与轴承相配处没有考虑倒角等细微尺寸）．当不考 虑弯曲应力仅仅考虑轴只承受扭矩作用且所有外力 都以支撑托架中心截面为对称面时（该面由于载荷 的对称性截面在应力应变的关系中具有中性层的 意义即应力应变均应为零）轴支撑托架中心截面施 加固定约束和另一断面施加扭矩．材料模型选为 42CrMo 的材料模型［3］． 模型采用在断轴界面处沿轴向进行网格细化到 0∙2mm 后去掉相应裂纹的单元数来进行仿真计算 了具有长60mm、深50mm 裂纹的传动轴和具有长 150mm、深85mm 裂纹的传动轴最大应力． 1∙2 固定端面与载荷截面的确定 模型中轴的固定约束只能是在受力对称的中 心截面（便于计算在轴两端施加弯扭力矩的计算）或 者两端截面（便于计算在轴中心截面施加弯曲力的 计算）．前者为本文选取的固定约束形式其特定条 件是载荷必须关于中心截面对称优点为轴的长度 尺寸可以灵活确定便于有限元软件建立相对节点 较少且适合现有计算机计算能力的模型；后者有利 于计算油缸的托起力引起的轴弯曲应力但考虑到 轴的长度尺寸较大如果按照实际长度建立有限元 模型模型节点数将超出计算机计算能力因此两端 截面约束为不适宜的固定约束方式．考虑模型的对 称性最终确定的模型如图2所示． 图2 传动轴有限元分析模型 Fig．2 Finite element model of the main drive spindle 2 传动轴受弯扭作用的等效应力分析 2∙1 传动轴受扭条件下等效应力 由传动轴在6300kN·m 扭矩条件下有限元分 析三 维 等 效 应 力 分 布 图［8—9］ 可 知：最 小 应 力 约 27MPa最大应力达到196∙1MPa最大应力在轴与 轴承内圈相接触的外表面上最大应力中心距离轴 承止推截面12∙5mm与实际裂纹发生部位相符． 另外从轴向应力分布图可以看出传动轴在受扭作 用下其应力沿轴向的分布除薄弱区段有变化外其 余轴段应力相同． 2∙2 传动轴受弯条件下等效应力 传动轴受弯条件应力分析模型与受扭模型结构 相同不同的是在轴的载荷截面上施加 x 正方向的 集中 力集 中 力 与 模 型 长 度 的 乘 积 之 和 等 于 6300kN·m即与扭矩载荷相等；最大应力分别出现 在轴与轴承内圈相接触的中心外表面和距离轴承止 推截面12∙5mm 的外表面上且最大应力并不是分 布在整个圆环上而仅仅分布在两个相同的园弧上 （见图3和图4）；最大应力达到240∙2MPa已经超 过在相同扭矩作用下的最大应力值且弯矩的大小 还应考虑弯矩力作用点到轴中心截面的长度尺寸 模型当中仅仅使用了最短的长度尺寸因而轴的弯 曲应力比轴的扭矩应力更具有危险性． 图3 设计轴受弯三维应力分布图 Fig．3 3－D stress distribution field of the drive spindle under bending 图4 设计轴受弯应力分布切片图 Fig．4 Stress slice field of the drive spindle under bending 由于传动轴的应力应变在线弹性范围以内轴 第5期 魏钢城等： 热轧带钢 R2粗轧机下主传动轴断裂有限元分析与应用 ·509·