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一種三角帶有限元建模方法與流程

文檔序號:12599646閱讀:736來源:國知局
一種三角帶有限元建模方法與流程

本發(fā)明涉及計算機輔助工程領域,特別涉及一種基于三角帶張緊和傳動過程的應力應變計算的有限元建模方法。



背景技術:

傳動帶作為主要的橡膠工業(yè)制品之一,品種多樣、結構各異,廣泛應用于發(fā)電機、水泵、風扇、空調壓縮機等機械裝備上,起到傳遞功率,帶動運轉的功能。而三角帶作為傳動帶的一種根據(jù)標準分類又可分為窄型和寬型三角帶、小角和大角三角帶、活絡和沖孔三角帶;根據(jù)形貌又可分為包布式平底三角帶、圓齒三角帶、切邊式平底三角帶和波浪三角帶等。

隨著生產技術和裝備的發(fā)展,三角帶在各行各業(yè)的應用也越來越普及。多品種、高機能、輕量化、多功能、長壽命是三角帶設計和發(fā)展的主要趨勢。產品的質量要求越來越高,市場的競爭也越來越激烈,這就對工程師的設計水平提出了更高的要求。三角帶的配方和結構是影響三角帶使用性能的兩大決定性因素,而三角帶的結構設計又對原材料本身的性能提出要求,為配方的設計提出指導性建議。因此,三角帶的結構設計在提升三角帶產品質量,拓寬三角帶應用領域,提升產品市場競爭力等方面有著重大的意義。

然而,國內的三角帶行業(yè),結構設計水平較薄弱,設計方法還是依賴于粗略的計算。20世紀中葉,歐美等發(fā)達國家開始將計算機技術同三角帶的優(yōu)化設計結合起來,采用非有限元的方法對帶傳動建模,從輪徑、包角、傳動比等影響因素考慮以提高傳動效率或使用壽命為目標進行優(yōu)化,但該方法的缺點是不能考慮三角帶在楔入帶輪內帶體的變形與接觸的真實面積(如圖1)。20世紀末21世紀初國內外開展了大量關于三角帶摩擦接觸,靜、動角等動力學分析有限元計算,該方法可以反映出帶體的變形,但這些模型在進行建模時都是將三角帶看作一種均質彈性體材料,材料參數(shù)不能反映三角帶各個結構原本的性能,沒有進一步考慮到三角帶是由多層不同力學性能的橡膠材料和骨架材料組合而成(如圖2)。因而不能準確的反應三角帶的內部受力情況,且不能針對性的對三角帶結構進行受力分析和優(yōu)化。

三角帶在使用過程中的失效形式有底膠開裂,強力層與伸張膠層分離,整根三角帶斷裂,三角帶磨損陷入帶輪底部等,導致這些失效的原因不僅與材料本身的性能有關,還與結構設計的合理性有關,對三角帶在張緊和傳動過程中的應力應變進行分析有助于設計者對產品的結構進行改進。然而,由于試驗和檢測設備的條件限制要想準確獲得三角帶內部各層之間的內應力十分困難,尤其是在動態(tài)條件下很難實現(xiàn)對三角帶內部受力的實時監(jiān)測,就算監(jiān)測到了信號,其監(jiān)測點也有限制,精確度也不高。



技術實現(xiàn)要素:

為了解決上述技術問題,本發(fā)明提出了一種帶有復合結構的三角帶有限元建模方法,所述三角帶結構包括伸張膠層、緩沖膠層、壓縮膠層和包布浸膠層橡膠材料部分,包括強力層、底膠簾布、纖維包布非橡膠材料部分,同時建立主、從動輪有限元模型,通過對模型施加邊界條件實現(xiàn)三角帶有限元模型的張緊和傳動仿真,對三角帶張緊和傳動過程的應力應變進行計算。

本發(fā)明的技術方案如下:

一種三角帶有限元建模方法,包括如下步驟:建立三角帶二維梯形截面有限元模型,得到三角帶主體結構;對三角帶二維梯形截面有限元模型分割,劃分為伸張膠層、緩沖膠層、壓縮膠層和包布浸膠層,并對各層賦予對應材料屬性,劃分網(wǎng)格;建立三角帶強力層、底膠簾布和纖維包布有限元模型;對建立的三角帶強力層、底膠簾布和纖維包布有限元模型進行網(wǎng)格劃分;將二維有限元模型通過命令流旋轉生成三維有限元模型,同時建立主、從動輪有限元模型,并同主、從動輪進行裝配,通過對模型施加邊界條件實現(xiàn)三角帶有限元模型的張緊和傳動仿真,對三角帶張緊和傳動過程的應力應變進行計算。

優(yōu)選的是:建立三角帶強力層、底膠簾布和纖維包布有限元模型,包括如下步驟:通過將梯形截面外輪廓內移得到第一層和第二層纖維包布、并賦予纖維材料屬性和編織角度;建立強力層二維有限元模型,并賦予線繩或簾布材料屬性,定義排列角度;建立多層底膠簾布有限元模型,并賦予底膠簾布材料屬性,定義各層的排列角度。

優(yōu)選的是:對模型施加的邊界條件包括,對從動輪施加自由度約束,對主動輪施加位移載荷和力載荷實現(xiàn)三角帶有限元模型張緊過程的模擬,對主動輪施加扭矩載荷和轉速載荷實現(xiàn)三角帶有限元模型傳動過程的模擬。

優(yōu)選的是:三角帶有限元模型的楔角為35°到45°之間;三角帶有限元模型頂寬為10mm-20mm,三角帶有限元模型節(jié)寬為8-18mm,三角帶有限元模型高度為7-11mm。

優(yōu)選的是:三角帶有限元模型伸張膠層厚度為0.8mm-1.5mm,緩沖膠層厚度為1.5mm-2.6mm,壓縮膠層的厚度為3.8mm-5mm。

優(yōu)選的是:三角帶有限元模型強力層線繩直徑為1.2mm-2.4mm,線繩數(shù)量為6-11根,排列角度為0°單根線繩模量為25000MPa-70000MPa;強力層簾布厚度為0.5-1mm,排列角度為45°-80°,單股纖維模量為1000-20000MPa;底膠簾布厚度為0.5-0.8mm,排列角度為45°-80°,單股纖維模量為1000-8000MPa,層數(shù)為1-4層;纖維包布厚度為0.3-0.6mm,編織角度為45°到80°,單股纖維模量為1000到5000MPa,層數(shù)為1-2層。

優(yōu)選的是:三角帶有限元模型對主動輪施加的張緊力為10-1000N,施加的轉速為0-20m/s。

優(yōu)選的是:通過嵌入耦合實現(xiàn)強力層,底膠簾布和纖維包布網(wǎng)格在橡膠網(wǎng)格中的固定。

優(yōu)選的是:三角帶有限元模型伸張膠層、緩沖膠層、壓縮膠層和包布浸膠層橡膠材料部分使用的是固體單元,強力層、底膠簾布、纖維包布非橡膠材料部分使用的是殼單元,主、從動輪使用的是解析剛體。

優(yōu)選的是:三角帶有限元模型采用罰函數(shù)接觸法定義三角帶與帶輪間的接觸,接觸摩擦系數(shù)在0.1-0.5。

根據(jù)本發(fā)明三角帶有限元建模方法,可以計算三角帶在張緊和傳動的過程中包括伸張膠層張應力和變形的大小,緩沖膠層與線繩之間剪切應力的大小,壓縮膠層壓應力和變形的大小,三角帶與帶輪接觸正壓力和剪切力的大小,三角帶彎曲應力的大小以及強力層線繩、底膠簾布和纖維包布受力的大小。通過本發(fā)明可以更準確的反應三角帶的真實結構,計算三角帶各部位的應力應變,并為三角帶結構的優(yōu)化設計提供可靠的支持。

附圖說明

為便于理解,下面參照附圖通過非限定性例子來描述本發(fā)明的實施例。圖中

圖1示出了一種非有限元方法建立的帶傳動模型。

圖2示出了忽略三角帶復合結構的有限元模型橫截面。

圖3示出了采用本發(fā)明建模方法考慮各層結構和骨架材料的三角帶有限元模型橫截面。

圖4示出了通過有限元計算三角帶楔入帶輪最大形變量隨輪間距的變化。

圖5示出了通過有限元計算三角帶楔入帶輪側面壓應力分布圖。

圖6示出了通過有限元計算三角帶楔入帶輪側面剪切應力分布圖。

圖7示出了通過有限元計算的不同線繩的拉力分布。

圖8示出了三角帶結構示意圖。

其中:1伸張膠層、2緩沖膠層、3壓縮膠層、4包布浸膠層、5強力層、6底膠簾布、7纖維包布。

具體實施方式

下面結合附圖針對三角帶有限元模型的描述對本發(fā)明的實施例作詳細說明。

需要注意的是實施例中具體描述的特征不應都被理解為對實現(xiàn)本發(fā)明是必要的或者唯一的特征,本領域的人員能夠理解這些特征可能是示例性的而非限定性的。

一種三角帶有限元建模方法,包括如下步驟:建立三角帶二維梯形截面有限元模型,得到三角帶主體結構;對三角帶二維梯形截面有限元模型分割,劃分為伸張膠層1、緩沖膠層2、壓縮膠層3和包布浸膠層4,并對各層賦予對應材料屬性,劃分網(wǎng)格;建立三角帶強力層5、底膠簾布6和纖維包布7有限元模型;對建立的三角帶強力層、底膠簾布和纖維包布有限元模型進行網(wǎng)格劃分;將二維有限元模型通過命令流旋轉生成三維有限元模型,同時建立主、從動輪有限元模型,并同主、從動輪進行裝配,通過對模型施加邊界條件實現(xiàn)三角帶有限元模型的張緊和傳動仿真,對三角帶張緊和傳動過程的應力應變進行計算。

根據(jù)本發(fā)明的整個三角帶可由固體單元、殼單元和解析剛體單元模擬。三角帶材料參數(shù)和結構尺寸如表1所示,具體建模步驟如下:

第一步三角帶主體結構有限元模型的建立,包括:

a.建立三角帶二維梯形截面有限元模型:梯形截面上邊緣17mm,高9mm,楔角40°;

b.對三角帶二維梯形截面有限元模型分割,將梯形截面下邊緣和距離梯形截面下邊緣5.5mm區(qū)域劃分為壓縮膠層,將壓縮膠層上邊緣和距離壓縮膠層上邊緣2.3mm區(qū)域劃分為強力層,將強力層上邊緣和梯形截面上邊緣劃分為伸張膠層區(qū)域;將梯形截面外邊緣內移0.5mm劃分得到第一層包布浸膠層,將梯形截面外邊緣內移1mm劃分得到第二層包布浸膠層。

c.對上述三角帶各橡膠層賦予表2對應的材料屬性,并采用固體單元劃分網(wǎng)格。

第二步三角帶有限元模型骨架材料的嵌入,包括:

a.建立強力層線繩有限元模型在強力層區(qū)域中間建立線繩有限元模型,線繩根數(shù)7根。

b.建立底膠簾布有限元模型將梯形截面下邊緣上移1.4,得到第一層底膠簾布有限元模型,再移0.8得到第二層底膠簾布有限元模型,再移0.8得到第三層底膠簾布有限元模型。

c.建立包布有限元模型。在第一層包布浸膠區(qū)域和第二層包布浸膠區(qū)域中間分別建立第一層纖維包布有限元模型和第二層纖維包布有限元模型。

d.對上述三角帶各骨架材料層賦予表3對應的材料屬性和排列角度,并采用殼單元劃分網(wǎng)格。

e.通過嵌入耦合實現(xiàn)線繩,底膠簾布和纖維包布網(wǎng)格在橡膠網(wǎng)格中的固定。

第三步建立三維三角帶有限元模型

a.建立掃掠路徑,將二維三角帶有限元模型旋轉成三維有限元模型。

b.建立主、從動輪有限元模型。主動輪直徑98mm、從動輪直徑135mm,材料楊氏模量200000MPa,單元屬性定義為解析剛體。

c.三角帶有限元模型采用罰函數(shù)接觸法定義三角帶與帶輪間的接觸,接觸摩擦系數(shù)為0.3。

d.對主動輪施加260N的張緊力,實現(xiàn)三角帶張緊過程的模擬。

e.對主動輪施加16m/s的轉速,實現(xiàn)三角帶傳動過程的模擬。

第四步經(jīng)過有關有限元分析軟件的計算,獲得三角帶與帶輪的剪切應力,三角帶底膠的壓應力與形變,強力層與伸張膠層的層間剪切應力,線繩受到的拉力分布,底膠簾布的壓力分布等。不僅可以評價三角帶的使用性能,還為新型三角帶結構的設計提供依據(jù),輔助三角帶結構設計。

采用本發(fā)明建模方法和前兩述現(xiàn)有技術建模方法對三角帶進行建模,在此基礎上對三角帶張緊和傳動過程的應力應變進行分析,并將其結果進行對比后發(fā)現(xiàn),采用本發(fā)明建模方法計算出的三角帶與帶輪接觸壓力的分布及剪切應力分布、三角帶變形與實際側得的結果最接近,由于考慮到三角帶的復合結構,因此可以計算出各橡膠層和骨架材料的受力,對三角帶的輔助設計有重大意義。

上文參照附圖描述了本發(fā)明的具體實施方式。但是,本領域中的普通技術人員能夠理解,在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下,還可以對本發(fā)明的具體實施方式作各種變更和替換。這些變更和替換都落在本發(fā)明權利要求書所限定的范圍。

表1三角帶結構及傳動系統(tǒng)參數(shù)

表2橡膠材料性能參數(shù)

表3非橡膠材料性能參數(shù)

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