机械加工中有限元技术的计算精度优化研究

有限元模型技术被广泛应用于机械加工领域,其也是实现数字控制与现代加工的核心理论技术,得到了各领域研究者的广泛关注与深入探讨。基于有限元模型的计算仿真模拟技术能够大幅提升机械加工制造的精度,大量的机械加工零件实验也为有限元模型提供详细的数据参考。文中通过总结有限元分析技术的研究历史,分析归纳了当前有限元分析技术中精度优化的核心策略及其不足之处,展望了在机械加工过程中有限元分析技术的未来发展方向。

具有圆度误差的径向金属密封接触应力研究

由于加工圆度误差的影响,井下流量控制阀径向金属密封接触应力分布不均匀,从而影响密封性能。利用有限元方法研究具有圆度误差的径向金属密封唇部接触应力分布,并分析圆度误差对径向金属密封接触应力的影响;基于有限元分析结果提出径向金属密封接触应力分布的理论解析式,并进行误差分析。具有圆度误差的径向金属密封唇部接触应力分布的理论解与数值解相符,各参数引起的最大接触应力的平均相对误差约为10%。根据具有圆度误差的径向金属密封副接触应力的分布规律,提出合理的过盈量函数,修正了径向金属密封轴对称结构的悬臂梁模型的接触应力理论关系式,得出了圆度误差下的径向金属密封接触应力分布规律。研究结果为井下流量控制阀径向金属密封的设计提供了理论指导。

多试件垫片加速寿命试验装置试验垫片预紧应力误差分析

垫片是螺栓法兰连接系统的核心部件,对垫片寿命进行预测可提高连接系统的可靠性,而减小垫片寿命评价装置试验误差则可提高垫片寿命预测的准确性。以柔性石墨缠绕垫为例,研究多试件垫片加速寿命试验装置的法兰和垫片厚度偏差、加载的同轴度偏差和垫片安装偏差对垫片上应力分布的影响,得到在不同温度和预紧应力下的载荷比,确定试验装置所允许的最大偏差;揭示温度和预紧应力大小对试验垫片预紧应力误差的影响,提出控制预紧应力误差的方法。结果表明:预紧应力误差都随着温度的升高而减小;法兰和垫片厚度偏差引起的预紧应力误差随着预紧应力增大而减小;试验装置加载的同轴度偏差和垫片安装偏差引起的试验垫片的预紧应力误差随着预紧应力增大而增大。以试验垫片预紧应力误差1%为指标,得到法兰和垫片之间的厚度偏差应控制在-0.02~0.005 mm之间,试验装置加载的同轴度偏差应不大于0.33 mm,试验垫片的安装偏差应不大于1.24 mm。对于其他种类垫片,也可以通过提出的方法确定法兰和垫片之间的厚度偏差、试验装置加载的同轴度偏差、试验垫片的安装偏差的范围。

桥梁顶升施工有限元分析

山东省青岛市辽阳路桥是一座预应力混凝土连续箱梁桥。为实现与新建桥梁的衔接,现需该桥的46#桥梁顶升655~1218mm。利用ANSYS软件建立46#桥梁有限元计算模型,分析其在同步顶升工况、千斤顶失效工况下,顶升至最高点时所需的最大顶升力以及箱梁桥和分配梁的受力和变形情况,以确保桥梁顶升过程中的安全性。结果表明桥梁在两类工况下,均具有较大的安全储备,可保障桥梁顶升过程中的安全可行性。研究成果可为其他同类型桥梁顶升施工工程提供案例参考。

延伸外摆线准双曲面齿轮啮合特性分析

为了研究延伸外摆线准双曲面齿轮的啮合特性,基于有限元仿真和试验,分析了齿面接触斑点、齿根弯曲应力、重合度和传动误差等啮合特性。结果表明,某一时刻齿面接触区域近似为椭圆形,齿轮啮合过程中,单个齿面上的椭圆形接触面积先增大后减小;大小齿轮齿根危险点均主要承受拉应力,小齿轮危险点先承受拉应力,再承受压应力,而大齿轮危险点则相反;齿轮重合度随载荷的增加而逐渐增大;齿轮传动误差受载荷影响较大,小载荷下传动误差较大,随载荷的增加先减小后增大,最后缓慢减小趋于稳定。文章的研究内容对准双曲面齿轮的设计和使用具有一定指导意义。

基于数值仿真的电动汽车高速齿轮轮辐结构优化设计

随着电动汽车对电驱动系统噪声、振动与声振粗糙度(Noise·Vibration·Harshness,NVH)性能的要求越来越高,对电驱动传动系统齿轮设计提出了更高的要求。基于数值仿真的方法对电驱动传动系统平行轴式减速器大齿轮轮辐结构进行了优化设计。从齿轮模态、齿根应力、传动误差和制造误差敏感性4个方面分析对比了简单板式、圆减重孔板式、长减重孔板式、加强筋板式和交错板式5种大齿轮轮辐结构设计。结果表明,交错板式轮辐结构在齿轮模态、齿根应力、传动误差和制造误差敏感性4个方面都具有优势,尤其在齿轮模态频率方面,相比其他4种方案有显著提升。采用所提方法优化设计的交错板式轮辐结构,在同等质量条件下相比常见的圆减重孔板式结构,齿轮1阶模态频率提高72%,传动误差降低18%,可有效避免大齿轮共振引起的高速齿轮啸叫问题。

基于MASTA的大速比减速器齿轮综合修形优化设计

为了优化某大速比减速器斜齿圆柱齿轮传动系统的振动噪声水平,通过MASTA对其一、二级齿轮传动进行啮合及振动噪声仿真分析,发现存在偏载、应力集中、振动噪声较大等问题,存在较大的传递误差。以减小传递误差与齿面接触应力为目标,进行齿面修形优化设计,建立齿面修形优化模型并求解,采用MASTA对修形后模型进行分析,并对其样机进行噪声试验,验证齿面修形的有效性。结果显示:MASTA分析结果符合理论分析,仿真方法准确,修形后齿轮的接触应力和传递误差均明显减小,接触斑点分布均匀,振动噪声明显降低,且一级齿轮传动比二级齿轮传动效果更明显。可见此优化设计方案对减速器减振降噪具有较好的效果,为此类减速器齿轮设计提供理论参考。

牵伸罗拉联接并紧面的轴向接触变形因素分析

为保证牵伸罗拉的安装质量,以牵伸罗拉与罗拉轴承内圈联接并紧面的轴向接触变形为切入点进行分析,反向梳理材料内应力的变化、接触面的表面粗糙度、平面度误差及上车并紧后接触状态,从优化设计、优选材料、工艺基准选择、内应力消除、加工余量确定、减小平面度误差等方面提出改进措施。指出:在组装、装配中要注意关联件的接触精度以确保牵伸罗拉的安装质量,严格控制技术标准,加强清洁保养,以保证高稳定性、高可靠性的纺纱需求。

多源卫星遥感海面风速误差分析和交叉标定

利用多源卫星散射计和辐射计构建高时间分辨率的海面风遥感数据集是当前海洋遥感研究的热点。本文针对2019年同时期在轨运行的卫星散射计和辐射计,利用浮标数据和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)第五代大气再分析数据(ERA5),定量评估了不同传感器获取的海面风速数据的误差特性和标定系数,阐明不同卫星遥感海面风单位误差相对大小,为多源卫星海面风场融合、同化等定量应用提供技术支撑。与常用的中性参考风相比,微波散射计和辐射计反演的风速更适合用等效应力风解释,以便实现卫星遥感数据的优化应用。现有微波散射计和辐射计遥感的海面风速与浮标和ERA5等效应力风在总体上具有良好的一致性,但在高风速条件下(风速大于20 m/s)呈明显的偏差。本文提出的一种用于风速误差横向对比的指示因子,实现了散射计与辐射计风速相对误差估计,为多源数据同化应用中的误差设置提供重要的参考。结果表明:5种散射计风速固有误差介于0.40~0.73之间,5种微波辐射计的风速固有误差介于0.86~1.23。总体而言,在0~20 m/s风速范围内,散射计的风速精度优于辐射计。

低碳合金钢18CrNiMo7-6齿轮弯曲疲劳试验研究与误差分析

齿轮弯曲疲劳试验是评价齿轮弯曲疲劳性能的重要手段,为保证试验结果的准确性,探究试验过程误差对试验结果的影响。根据GB/T 14230—1993《齿轮弯曲疲劳强度试验方法》中的B试验法以跨五齿对称加载方式制定弯曲疲劳试验方案,进行有限元仿真与电阻应变片测试验证试验方案的正确性,采用升降法开展18CrNiMo7-6喷丸齿轮弯曲疲劳试验,分析齿轮几何精度、装夹误差以及设备加载精度对弯曲疲劳试验结果的影响。结果表明:试验方案计算齿根弯曲应力与有限元仿真以及电阻应变测试的结果最大误差为8.7%,满足工程需求;99%可靠度下18CrNiMo7-6喷丸齿轮弯曲疲劳极限为642 MPa,相比国标中MQ级的500 MPa提高28%,标准设计偏保守。齿轮的几何精度以及试验设备精度对弯曲疲劳试验结果影响较大,考虑误差综合作用对试验结果的影响为2.43%。

太阳能光热发电追光系统中蜗杆副选型及应力分析

针对目前太阳能光热发电定日镜追光系统中蜗杆副精度寿命短、侧隙难调整等不足,探讨了蜗杆副的选型,通过建立传动副三维模型和有限元模型,分析了完整工作周期载荷下的齿面应力,试制传动副样件并进行了齿面精度检测和接触斑点试验。分析结果表明:在工作周期的主要工作载荷和极限载荷下,齿面有限元模拟分析的最大Von-Mises应力均满足设计要求;传动副齿面应力分布规律与接触斑点和图形学显示结果吻合;蜗杆齿面螺旋线误差、齿形误差以及蜗轮齿面全齿齿距累积误差、单齿距偏差和径向跳动检测结果显示,该双导程蜗杆为6级精度,蜗轮为7级精度,满足追光系统设计要求。研究结果可为后续太阳能追光系统中蜗杆副的选型和实际应用奠定理论支撑和试验参照。

混动变速箱齿轮微观参数优化分析

针对混动变速箱中齿轮啮合传动出现的振动噪声问题,以专业的系统分析软件MASTA为仿真平台,利用其中的微观修形模块,对某一混动变速箱中的齿轮进行优化分析。通过比较修形前后的齿轮传递误差和齿面接触应力云图等评价指标,验证了基于系统分析软件MASTA对于微观修形的有效性,为实际修形提供了可靠的理论依据。分析结果表明,齿轮微观修形后,传递误差明显减小,齿面接触应力云图有较大程度的改善,对减小齿轮的振动噪声问题有着积极的作用。最后,对变速箱的齿轮振动噪声进行了数据采集和对比分析,结果表明,齿轮副经过微观修形后,相应的箱体振动加速度和齿轮噪声都会有明显改善。

定向进化Rho1提高酿酒酵母的乙醇耐受性和超高浓度乙醇发酵性能

燃料乙醇发酵过程中酿酒酵母细胞活性被高浓度乙醇严重抑制而导致发酵提前终止,生产强度严重降低,因此构建同时具有高耐受性、高发酵性能的菌株一直是发酵工业追求的目标。选取酿酒酵母细胞形态调节关键基因小GTP酶家族成员Rho1,构建易错PCR产物文库,以酿酒酵母S288c为出发菌株采取“富集-自然生长-复筛”的筛选策略,成功筛选得到两株乙醇胁迫耐受性与发酵性能均提高的突变株M2和M5。测序发现突变株过表达的Rho1序列出现了3~5个氨基酸的突变和大片段的缺失突变。以300 g/L起始葡萄糖进行乙醇发酵,72 h时,M2和M5的乙醇滴度比对照菌株分别提高了19.4%和22.3%,超高浓度乙醇发酵能力显著提高。本研究为利用蛋白定向进化方法改良酵母菌复杂表型提供了新的作用靶点。

主动修形参数对面齿轮副承载特性的影响

齿轮主动设计是一种可以直接预控齿轮啮合性能的方法,为了研究齿轮主动设计对面齿轮副承载特性的影响规律,对面齿轮副主动修形参数与齿面承载特性之间的关系展开了研究。首先采用有限元法建立了齿轮副接触模型,之后设计不同组主动修形参数进行仿真分析。结果显示,几何传动误差对轮齿传动平稳性以及齿面接触强度影响较大,可通过控制几何传动误差幅值来控制承载传动误差幅值;预设接触路径倾斜角度控制在30°邻域内可获得较好的承载接触特性,接触椭圆长度主要影响齿面接触强度与齿根弯曲强度,根据仿真结果,预设接触椭圆长度取齿宽的0.5~0.75时,面齿轮副具有较好的承载接触特性。

圆柱齿轮轴线误差对啮合特性影响分析

圆柱齿轮传动系统的轴线误差对传动啮合特性有着重要影响。本文以某一高速齿轮副为案例,分析了不同轴线误差下啮合特性变化,通过对比找出对齿面接触应力、噪声等性能参数的影响规律;识别各载荷下误差敏感方向,对现有控制方法进行对比,为研究轴线误差对齿轮传动系统性能的影响奠定了基础。

盾构机主轴承内啮合齿轮修形优化设计

齿轮修形是降低轮齿啮入、啮出时冲击,降低齿轮副齿面应力峰值,缓解应力沿齿宽分布不均现象,使得传动平稳性提高的重要手段。结合盾构机实际工作载荷,基于KISSsoft对盾构机主轴承齿轮进行齿廓、齿向修形优化研究,针对单因素齿廓修形、单因素齿向修形、综合修形方案进行横向对比,通过对齿轮进行接触性能分析,对比修形前、后的传动误差幅值、赫兹接触应力在齿宽方向分布情况以及最大齿根弯曲应力。通过Ansys Workbench软件对未修形和确定的最优修形方案进行有限元仿真,验证其振动加速度和动态啮合应力优化程度。结果证明,采用适当的修形方案可以减小齿轮传动误差幅值,避免了轮齿啮入时出现载荷突变的情况,并且优化了齿面偏载的情况,进而使得齿轮啮合传动性能得到了提高,传动更加稳定。

考虑球径误差时的轴承瞬态接触应力特性研究

以QJ211四点接触球轴承为研究对象,基于瞬态动力学理论,利用Workbench有限元软件对存在不同球径误差排布工况时的轴承进行动力学仿真求解,提取各个工况的轴承接触应力数据进行对比分析。研究结果表明:不同的球径误差、误差钢球的数量和排布方式都会对轴承的接触应力产生一定规律的影响。对滚动轴承在装配阶段如何对误差滚动体进行合理排布以提升轴承运转的动态性能具有实际意义。

基于DEFORM-3D的曲轴锻造模具应力分析

利用有限元软件DEFORM-3D对曲轴预锻和终锻成形后的模具进行了应力分析,得到了应力分布,阐述了容差值对模具应力的影响;进一步分析了模具的应力集中现象,以改善模具结构、提高模具的使用寿命。研究结果可为曲轴锻造成形模具的设计提供参考。

装配误差对双圆弧谐波齿轮应力的影响

由于谐波传动中刚轮、柔轮与波发生器装配时存在装配误差,可能会引起刚轮与柔轮齿廓干涉,从而影响柔轮齿面与齿根应力,以无公切线双圆弧谐波齿轮为研究对象,基于改进运动学法设计齿形,针对各种装配误差设计实验,并通过ABAQUS建立有限元装配模型进行计算,研究装配误差对柔轮应力的影响规律。结果表明,长轴方向刚柔轮中心距误差与凸轮径向安装误差对柔轮齿上应力影响最大,短轴方向刚柔轮中心距误差与凸轮径向安装误差次之,凸轮轴向安装误差影响最小;短轴方向刚柔轮中心距误差与长轴方向凸轮径向误差对柔轮杯底应力有较小影响;其余因素对杯底应力的影响极小。为谐波减速器的误差控制与补偿提供一定参考。

锁频环辅助下锁相环的跟踪误差分析

为适应高动态环境,卫星导航接收机采取锁频环辅助锁相环的技术进行载波跟踪.锁相环在锁频环跟踪频率基础上锁定载波相位.现基于经典的二阶锁频环辅助三阶锁相环结构,研究其中的载波相位跟踪误差,包括动态应力误差与热噪声跟踪误差.通过推导,得到了2个误差的计算公式.仿真结果表明,有关载波相位跟踪误差的分析是准确的,有助于之后的载波跟踪环路设计.