基于COSMOS/Works的试验机用夹头有限元分析

0 引言

    矿用高强度紧凑链是我国煤矿综合机械化采煤工作面用刮板输送机重要配套元部件。其机械性能应符合我国煤炭行业标准的规定。为了适应大型煤矿的发展，煤机产品随之朝着大型化方向迈进，新产品的规格型号已经超出了原有标准的范围。作为国家安全生产检测检验中心要对其性能质量进行把关，相关的检验设施也需进行完善。为此，对直径48mm矿用高强度紧凑链的疲劳强度试验，需设计出一套试验机用夹头，并且能保证满足试验强度的要求。

1 有限元建模

    参照已有的试验用夹头，设计出新夹具的结构形式，既要保证强度可靠性，又要考虑到更换夹头的方便性。利用进行三维建模，运用与其无缝集成的有限元分析软件COSMOS/Works进行应力和应变分析，从而找出结构中的薄弱环节进行改进。

    (1)结构特点

    结构如图1所示，夹头夹持圆柱直径100mm，高度240mm，比之前设计的夹头受力面积加大．以保证实验过程中有足够的夹持力。夹头与插销的接触面积是2×5585mm²，也是工作时的受力面。将圆柱体设计成锥状，既节约了材料，又减少了重量，方便更换。

    图1 夹头的三堆模型

    (2)载荷分析

    工作过程中夹头受到的最大载荷为1193kN，作用面是插销与夹头的接触面，方向垂直于接触面，与夹持圆柱伸出方向相反。

    (3)单元格划分

    夹头的结构并不复杂，根据零件自身情况，COSMOS/Works默认的网格划分就可以保证计算的精度。采用四面体单元格，共10345单元格，节数16468。

    (4)材料选型

    夹头在试验过程中受到的力较大，抗拉强度是选材的主要参数．同时还应有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。根据要求选择了42CrMo(见表1)，调质后的硬度为HRC44-46。

    表1 材料的性能指标

    (5)建立约束

    约束面为夹头的夹持圆柱面，它与试验机夹紧装置连接，夹持压力为32MPa。为全约束，保证在x、y、z方向上无移动和转动。

2 计算结果分析

    (1)应力分析

    从图2应力分布云图及计算结果可知，变形放大比为107.069，最大应力δ_max=4.573×108Pa，发生在夹持圆柱与夹头体结合部位。其最大应力均小于材料的抗拉强度和屈服强度，因此夹头在工作状况下是安全的。但是最大应力处的结构形式为垂直接触，应在过渡处倒圆角消除应力集中，受力情况会更好。