基于ANSYS对斯特林制冷机中轴和双孔板过盈联接的有限元分析

　　1 引 言

　　斯特林制冷系统与传统的制冷系统相比，具有制冷效率高、制冷温区广、制冷剂无污染等优点。由于现代社会对环保和节能的日益重视，以及斯特林制冷技术在近十几年来的快速展，推动了原来只在军和空间领域应用的斯特林制冷技术逐渐向民用领域发展。STL-L型民用斯特林制冷机中的曲轴如图 1 所示，其轴和双孔板是通过过盈配合进行联接的。因为过盈联接结构简单、定心性好、承载能力强、无需任何紧固件，并且可以避免因采用键槽联接而减弱零件强度的缺点，所以这种联接方法在机械工程中被广泛应用。

　　2轴和双孔板过盈联接的有限元分析

　　过盈联接是接触问题的一种，接触是一种高度非线性行为，是最为典型的状态非线性问题[1]。过盈联接装配压力传统的计算方法是以材料力学为基础，以组合厚壁圆筒为模型来计算的[2]。但这种方法有其局限性，例如把一些复杂结构简化成用厚壁圆筒来模拟，不能精确计算出配合面上的装配压力和应力分布情况，从而影响过盈联接应用的可靠性[3]。而有限元分析法是解决这类问题最行之有效的方法，本文选用ANSYS10.0 对轴和双孔板的过盈联接进行接触有限元分析。

　　2.1 建立有限元模型

　　(1)建立模型。在实体建模时如果把各种小的倒角和圆角都考虑进去，在划分网格时网格会非常复杂，而且会产生不良单元，反而使计算出现较大误差[4]。所以在实体建模中已经忽略了半径小于1mm的倒角和圆角。组件模型建立后，通过Pro/E3.0和ANSYS10.0的无缝接口将其导入到 ANSYS 软件中。轴和双孔板的材料分别为调质处理后的45钢和40Cr。

　　(2)划分网格。本文选用带中间节点的Solid186单元进行网格划分，它不仅能够很好地拟合大变形和大应变，而且和后续的接触单元相匹配。在接触问题中，推荐在所有可能的接触面上使用 Mapped 或 Sweep 方法进行网格划分，本文选用 Sweep 方法对轴和双孔板进行网格划分，划分好网格的有限元模型如图2所示。

　　(3)定义接触对。用接触向导创建接触单元是一个简单有效的方法，将双孔板孔的内表面设置为目标面，轴的外表面设置为接触面，目标面用 TARGE170 单元模拟，接触面用CONTA174 单元模拟。

　　2.2 加载和求解

　　在双孔板径向四个外表面上施加零位移约束，在求解控制选项中选中考虑大变形。初始设计的最小过盈量为 0.003mm，最大过盈量为 0.023mm。

　　2.3结果后处理

　　(1)过盈联接处于最小过盈时轴和双孔板的过盈联接处于最小过盈时的接触应力云图如图 3 所示，从图中可以知道轴和双孔板的最大接触应力为81.763MPa。根据轴和双孔板的接触应力可求得扭矩1.25N·m，STL-L 型斯特林制冷机中电机传递的最大扭矩为 0.5N·m，因此在轴和双孔板处于最小过盈时，完全能够满足传递电机扭矩而不打滑的要求。