接触压力范文（精选3篇）
接触压力 第1篇
关键词：接触压力,压力感应测试纸,小型螺钉连接件
航天器中不同的零件广泛地采用螺钉连接[1], 但螺钉的预紧力、数量和大小往往是根据经验给出, 而实际上这些因素对连接件接触程度有很大影响。为此采用富士压力感应测试纸来监测不同表面粗糙度的小型螺钉连接件中 (螺钉尺寸不大于M3) 界面接触压力的分布情况[2], 为今后小型螺钉连接件的设计提供保障。
1 螺钉连接件的研制
加工直径为50 mm、材料为LY12CZ、表面本色阳极化处理的圆盘;圆盘的平面度小于0.005 mm;厚度:3, 4;表面粗糙度:0.8、1.6;螺钉直径:2 mm, 2.5 mm, 3 mm;螺钉数量:4, 6, 8, 12。图1为加工的部分零件, 对以上不同连接方式的界面接触压力进行探究。
2 螺钉连接件的界面接触压力检测方法
采用Fujifilm压力感应测试纸检测连接件中的界面接触压力, 压力感应测试纸使用方法见图2:即根据零件的形状, 裁剪出合适的形状, 将压力测试纸放于需要测量的界面处, 施加不同的压力值, 即可得到不同的颜色分布。
根据工作的温度和湿度, 选择标定的颜色与压力的关系曲线如图3, 与标准颜色对比即可获得压力大小。测量时工作环境温度为20.4℃, 相对湿度为50.9%, 为此采用的是图中曲线B。
查阅GB/T 3098.16获得不同尺寸的螺钉所允许的最大扭矩见表1。
4 螺钉连接件的界面接触压力测量结果
首先对M3螺钉进行详细研究, 得到扭矩为1.8 N·m时, 不同的表面粗糙度, 不同厚度, 不同螺钉数量时的压力测试结果见图4。可知, 界面接触压力仅分布在螺钉连接处, 接触压力值当表面粗糙度为0.8和1.6、厚度为3和4、螺钉数量为4和8时基本一致, 约为46 MPa。
以下仅考虑不同扭矩、螺钉数量为4时, 不同直径螺钉连接件的界面接触压力值, 结果见表2。可知, 随扭矩的增加界面接触压力增大, 但相同的扭矩, 不同的螺钉直径, 界面接触压力也基本一致。
5 结论
采用压力感应测试纸检测螺钉连接界面接触压力是可行的, 界面接触压力仅分布在螺钉连接处附近, 压力的大小与表面粗糙度、厚度和螺钉数量基本无关, 仅与施加的扭矩有关。随扭矩的增加界面接触压力增大, 但相同的扭矩, 不同的螺钉直径, 界面的接触压力也基本一致。为此在以后的工程应用中, 如有压力限制要求的, 可以采用富士压力感应测试纸来检测界面接触压力, 以满足设计要求。
参考文献
[1]王维扬, 董德平.中科院上海技术物理研究所空间制冷技术的发展与展望.空间制冷技术专题研讨会论文集.2004;13—17
接触压力 第2篇
过盈配合是一种常见的连接方式, 具有结构紧凑、对中性好、承载能力大、耐冲击性好等优点。工程中通常按照弹性力学厚壁圆筒理论进行设计计算, 理论计算时忽略了轴向应力, 只考虑法向应力和周向应力, 法向应力即接触压力。
过盈配合构件工作时, 依靠过盈量产生的接触压力传递扭矩和轴向力, 传递扭矩很大时设计的过盈量就需要很大, 接触压力也相应很大。由于一些场合下过盈配合需要拆解, 在应用上认为拆解时所需的拆解力是由于接触压力和摩擦因数导致的, 且是线性关系, 因此得到平均接触压力就可以得到宏观拆解力。有限单元法能很好地解决过盈配合接触的计算问题, 并可以求解各种耦合问题, 为实际问题的求解提供了有效的方法。
1 采用有限单元法计算过盈配合平均接触压力
1.1 过盈配合接触问题的有限元求解方法
过盈配合是一种典型的非线性接触行为, 接触问题的算法有罚函数法、拉格朗日法、增强拉格朗日法。罚函数法是计算每一载荷子步时, 先检查接触面和目标面是否有穿透, 若有穿透则在接触面间引入法向接触应力, 其值大小与接触刚度和穿透深度成正比。拉格朗日法是把接触力作为一个独立的自由度, 可以实现穿透为零的真实接触条件。但由于自由度增加会降低计算效率, 增强拉格朗日法是不断更新接触刚度的罚函数, 直到计算的穿透值小于允许值为止, 该算法总体刚度矩阵较少出现病态, 接触单元接触刚度取值更合理。本文采用增强拉格朗日法进行求解。
1.2 有限单元法的设置和求解
根据以上接触问题计算方法的原理, 建立三维模型导入有限元软件Workbench中, 仿真计算基于静力模块进行, 设置接触为摩擦接触, 添加摩擦因数, 有限元模型的过盈量通过接触单元实常数过盈的方法进行设置, 以输入offset (偏移量) 的值来实现, 设置固定约束面。设置时为了方便单元应力的提取, 手动设置内孔面为接触面 (contact174) , 轴表面为目标面。
经过有限元计算可以得到各单元受力情况和受力单元数目, 当接触单元都受力时, 平均接触压力是所有接触单元的接触压力值的平均值。当受力单元数小于接触面单元数时, 采用将各受力单元面积乘以各单元接触压力再求和得到总接触力, 总接触力除以接触面的总面积得到平均接触压力。以下用实例来说明该计算过程。
2 计算实例
2.1 轴和套筒过盈配合平均接触压力的计算
给定轴和套筒的过盈配合模型如图1所示, 其各项参数如表1所示, 设摩擦因数为0.1, 过盈量为0.5 mm, 添加图1所示固定约束, 对轴和叶轮装配体进行自由网格划分, 设置轴和叶轮网格尺寸为15 mm, 接触面单元的网格大小为5 mm, 设置内孔面为接触面 (contact174) 。对模型求解, 得到896个接触单元都受法向应力, 直接对各接触单元的法向应力求平均值即可得到平均接触压力, 为132.2 MPa。
计算过盈配合接触压力的理论公式[4]为
式中:C1为轴的刚性系数, C2为套筒的刚性系数, δ为平均过盈量, μm, d为轴孔的公称直径mm;d1为空心轴内孔径, 实心轴为0。
该公式以理想状态的轴和套筒配合为基础。将表1中的参数带入式 (1) 可以求得接触面间的接触压力为135 MPa。比较有限元计算结果和式 (1) 的计算结果, 相对误差为2.2%, 因此上述有限单元法求解的平均接触压力与理论计算结果相吻合。由此可见, 有限单元法能很好地解决过盈配合的计算问题。
对于工程中大量复杂结构的过盈配合问题 (如轴和叶轮) , 已没有相应的理论计算公式, 但采用上述的有限元方法的计算结果是可信的。
2.2 存在形状误差的轴和叶轮过盈配合平均接触压力的计算
2.2.1 轴的弯曲几何模型建立
大型离心压缩机的轴和叶轮通过大过盈配合 (如φ225H7/y6) 来传递扭矩, 叶轮结构复杂, 其基本参数如表2所示。
轴在整个生产、服役周期内, 容易产生弯曲, 在叶轮需要修复时, 要对叶轮进行加热拆解处理, 因此需要对拆解过程的接触情况进行分析。为研究方便, 将轴存在弯曲时配合模型简化成如图2所示, 将配合面中部的弯曲量设为最大, 用轴线的直线度来反映其弯曲程度, 设直线度误差为0.05 mm。
2.2.2 有限单元法求解的设置
计算接触压力时的相关材料属性、接触和网格划分的设置与上述轴和套筒的模型相同, 将图3中X轴负方向的端面添加面固定约束, 得到接触面 (contact174) 单元个数约为7700个。两个配合面之间的接触压力来源于设置的过盈量和轴的直线度误差形成的实际过盈量。
模拟加热拆解过程, 采用瞬态热-结构耦合进行计算, 添加材料的热力学性能参数 (见表3) , 实际加热方式为流道面加热, 温度载荷350℃, 加热时间为1 000 s。
2.2.3 有限单元法计算结果分析
通过有限元计算得到以下情况的接触压力分布云图, 如图4~图7所示。
对比图4和图5, 可以得到接触压力直观的分布情况, 接触压力最大的区域为中间部位, 这是由于中间区域叶轮刚度最大导致的;当轴的直线度误差为0.05 mm时, 会严重影响叶轮上的接触压力分布状况, 接触压力最大的区域会向实际过盈量最大的部位移动;轴的直线度误差为0.05 mm时的最大接触压力大于无直线度误差状态下的最大接触压力。
对比图4和图6, 受热时接触压力的分布相对于不受热时变化很大, 配合面靠叶轮进气口处 (配合面最右端) 的接触压力最大。图6、图7所示中心区域接触压力很小, 图7中部分接触区域接触压力几乎为0。
针对得到的计算结果图4和图5, 采用ANSYS后处理技术, 提取接触单元的接触压力, 应用MATLAB编程连成曲面, 建立表面接触压力分布曲面如图8和图9所示。设定该曲面的3个坐标分别为配合面轴向尺寸、圆周方向偏转角度、接触压力的数值。
由图8、图9可知:1) 轴无直线度误差时, 过盈配合接触压力的分布随着轴向尺寸的变化而变化, 接触压力的最大值出现在图4所示叶轮距离左端面42 mm处, 接触压力沿圆周方向的变化不大;2) 轴的直线度误差为0.05 mm时, 应力分布发生变化, 应力随轴向位置和偏转角度的不同变化较大。最大接触压力出现在图5所示叶轮距离左端面42 mm处, 周向偏转角度为0°。
分别建立存在不同的直线度误差的轴和叶轮装配的有限元模型, 经求解得到轴和叶轮装配体的最大接触压力和平均接触压力的变化情况。
由图10可知, 最大接触压力随轴弯曲程度的增大而增大, 加热时最大接触压力会减小, 这是由于加热降低了实际过盈量。
由图11可知, 两表面之间的平均接触压力随轴的直线度误差的增大变化很小。这是由于轴虽然存在直线度误差, 导致各处的接触压力分布发生变化, 造成局部接触压力增大, 但其他区域的接触压力会减小, 而总的接触压力不会有较大的变化, 因此使平均接触压力和拆解力不会随误差增大发生较大变化。这里也有可能研究的直线度误差过小, 且网格尺寸较大, 导致平均接触压力变化不明显。通过计算, 得到轴和叶轮配合未加热时, 平均接触压力为115 MPa左右。加热时降低到55 MPa左右。加热时平均接触压力降低了约52%, 因此拆解力也有相同的降幅。
3 结论
1) 使用有限单元法求得了过盈配合的平均接触压力。
2) 轴存在直线度误差时, 对过盈配合件的两接触表面的接触压力分布会有较大的影响。最大接触压力随着轴直线度误差增大而增大, 平均接触压力和拆解力变化不大。
3) 对叶轮加热时, 过盈配合的平均接触压力会有大幅度的降低, 采用有限元方法求得变化规律。
摘要：提出了一种采用有限元求解过盈配合接触问题的方法。经计算得到接触单元信息, 再根据信息情况进行平均接触压力求解。以实例进行了阐述, 分析了存在不同程度弯曲误差的轴和叶轮装配以及受热时受力单元个数小于原始单元个数时, 应用MATLAB绘制接触面的接触压力曲面, 得到叶轮内孔表面接触压力和平均接触压力变化情况。
关键词：过盈配合,形状误差,平均接触压力,有限元
参考文献
[1]高俊福.大型离心压缩机轴热装弯曲机理研究[D].大连:大连理工大学, 2013.
[2]高耀东, 张玉宝.ANSYS机械工程应用精华60例[M].北京:电子工业出版社, 2012.
[3]Bengeri M, Mack W.The influence of the temperature dependence of the yield stress on the stress distribution in a thermally assembled elastic-plastic shrink fit[J].ACTA MECHANICA, 1994, 103 (1-4) :243-257.
[4]濮良贵, 纪名刚.机械设计[M].8版.北京:高等教育出版社, 2005.
接触压力 第3篇
提高读取天线和敏感头上电感线圈之间的耦合性能是非接触无源压力传感器信号检测系统设计的关键和基础, 耦合性能越好, 信号传输效率就越好, 读取天线和敏感头之间的耦合距离就越远, 无源压力传感器的应用就更广泛。这就需要对影响耦合性能的各个参数进行讨论。由于传感器尺寸的限制, 电感线圈只能制作成平面螺旋电感, 其线绕形状主要有矩形、六边形、圆形等, 而矩形易于制作, 可以很好地控制电感的个体参数[8], 所以选择制作矩形的平面螺旋电感线圈。本文利用互感理论, 通过数值计算得出了两共轴矩形平面螺旋电感线圈的互感系数与电感线圈的大小、匝数、线宽、耦合距离等参数之间的数值关系, 并用MATLAB软件进行了仿真分析。仿真结果表明, 设计电感线圈时需要综合考虑上述因素。为了提高非接触无源压力传感器信号检测系统的耦合性能, 电感天线和敏感头的电感线圈的设计参数应相同, 设计时应尽量使两线圈距离接近的同时, 增大线圈的外边长及匝数。
1 非接触无源压力传感器信号检测系统模型
对于非接触无源压力传感器信号检测系统, 采用互感模型进行分析。互感模型利用反映阻抗来描述初、次级系统之间的耦合效应, 初、次级电路的主要参数都可以通过互感来表达[9]。
非接触无源压力传感器信号检测系统的互感模型如图1所示。其中右边的LCR回路代表压力敏感头, C2为对压力敏感的可变电容, L2为平面螺旋电感线圈, R2是寄生在回路中的串联电阻。左边部分为与敏感头电感线圈耦合的读取天线, L1、R1分别为读取天线和读取天线电阻, U1为读取天线端的电压源。读取天线和敏感头线圈之间的互感系数为M。其信号检测系统的工作原理是:当敏感头受到外界压力时, 传感器端LC谐振电路的电容量发生变化, 导致传感器的谐振频率改变, 从而将压力大小的变化转化为谐振频率的变化, 利用敏感头线圈耦合一定距离之外的电感天线, 把谐振频率变化信号反馈到读取天线上, 最后对天线接收到的信号进行分析处理, 得出远端敏感结构上的压力值。
以图1中给出电流的方向为正方向, 利用利用变压器理论和基尔霍夫定律可得出以下方程[10]
从上面的分析可见, 互感系数M反应了读取天线与敏感头线圈之间的耦合性能, 互感系数越大, 耦合性能越好, 信号传输效率就越好。
2 非接触无源压力传感器信号检测系统互感系数影响因素分析
交流电路中, 当线圈2处于线圈1附近时, Φ11 (电流I1通过线圈1时产生的磁通) 将有一部分与线圈2交链, 这部分磁通记作Φ21, 称为互感磁通。互感磁通Φ21与电流I1之比称为线圈1对线圈2的互感系数M21, 互感定义公式为
由互感定义可以看出, 当两线圈所在平面平行, 且两线圈互为对方在平面上的投影时, 交链的公共磁通最大[9]。因此两等大矩形平面螺旋电感线圈平行相对放置时, 能获得最大的互感系数。
2.1 两平行共轴矩形平面螺旋电感线圈的互感系数
设矩形平面螺旋电感线圈的绕线如图2所示, 其中di、do为线圈的内边长和外边长, w、s分别表示线圈导线的宽度和间距, 线圈的匝数N为[11]
为简化模型, 将其等效为如图3所示的每匝通过电流I的同心矩形, 这里先推导计算两电感线圈为一匝时的互感。
图4为两平行共轴载流矩形线圈, 线圈平面垂直于O1O2轴, 上线圈的边长、载流分别为L1 (即2b) 、I1, 下线圈的边长、载流分别为L2 (即2a) 、I2, 两线圈平面间距为O1O2=h, 电流I1和I2有相同的流向。
上下线圈一匝上的线元分别为dl1和dl2, 两线元相距R, 依据诺依曼公式[12]两线圈的互感系数为:
式 (5) 中, #是磁导率, μr是磁介质的相对磁导率, μ=μ0μr, 真空磁导率μ0为4π×10-7。假设电感线圈的材料与周围环境的相对磁导率μr=1, 显然, 上下线圈线元所在的边相互垂直时, d l1→·d l2→=0, 考虑对称性则可以得出:
当a≥b时, 两线圈之间的互感系数为
即
当a≤b时, 两线圈之间的互感系数为
即
则匝数分别为Na、Nb的两平行共轴矩形平面螺旋电感线圈的互感系数为
式 (10) 中ai、bj分别为线圈a和线圈b的每匝边长的一半。
2.2 互感系数与电感参数之间关系的仿真分析
由上述互感系数的计算公式可以看出, 影响互感系数的主要因素有线圈的形状参数、相对位置等, 要增大互感系数, 就得从线圈的形状参数、线圈之间的距离等方面进行研究。
根据互感系数的计算公式, 用MATLAB软件对电感参数与两平行共轴等大矩形平面螺旋电感线圈的互感系数之间的关系进行仿真分析。为了方便表述, 仿真结果图中匝数为N的矩形线圈的边长参数表示为a=[a1∶Δ∶an], 其中a1是第一匝边长的一半, Δ=2w (w是线宽) 是线圈边长一半的增量, an是第N匝边长的一半。
如图5 (a) 所示为互感系数与耦合距离的关系曲线, 两电感线圈第N匝的边长均为40 mm, 线宽和线间距均为0.2 mm。从图5中可以看出, 随着两电感线圈间耦合距离的增加, 互感系数逐渐减小, 因为距离越远, 电感线圈之间的磁场强度就越弱, 互感也就越小。同时, 当线圈第N匝的边长一定, 耦合距离比较小时, 互感系数与电感线圈匝数的关系比较明显, 随着电感线圈匝数的增加, 互感系数也随着增大。
电感线圈第一匝的边长和线圈的匝数一定, 改变电感线圈第N匝的边长, 仿真曲线如图5 (b) 所示, 该仿真中a1均为2 mm, N均为10, 互感系数随着an的增加而增大, 并且比较明显。这也说明了电感线圈间耦合距离与线圈第N匝的边长的关系, 当互感系数一定时, 随着电感线圈第N匝边长的增加, 耦合距离也增大。
电感线圈第一匝的边长和第N匝的边长一定, 匝数不同时, 互感系数与耦合距离之间的关系如图5 (c) 所示, 互感系数随着匝数的增加而增大, 但从仿真曲线可以看出, 随着耦合距离的增加, 匝数对互感系数的影响不大, 所以在耦合距离比较小 (
固定电感线圈第一匝的边长 (均为4 mm) 和线圈的线宽、线间距 (w、s均为0.2 mm) , 改变电感线圈第N匝的边长, 仿真结果如图5 (d) 所示。从图5中可以看出电感线圈的线宽 (线间距) 及第一匝的边长一定时, 互感系数随电感线圈第N匝的边长的增加而增大, 并且比较明显。
从互感系数与电感参数之间的关系仿真结果中, 可以看出互感系数与电感线圈的匝数、线宽 (线间距) 以及两电感线圈之间的距离都有关系。
(1) 电感线圈第N匝的边长相同, 当耦合距离比较小时, 电感线圈的匝数、第一匝的边长的变化对互感系数的影响比较大, 随着匝数的增加, 互感系数增大;当两个电感线圈的耦合距离与电感线圈第N匝的边长相同时, 互感系数与电感线圈的匝数之间的关系不明显。
(2) 电感线圈第一匝的边长和第N匝的边长一定时, 增加电感线圈的匝数对增加互感系数的影响只在耦合距离较小时比较明显。
(3) 电感线圈的匝数和第一匝的边长一定时, 互感系数随着电感线圈第N匝边长的增加而增大, 并且比较明显。
(4) 固定电感线圈的线宽 (线间距) 及第一匝的边长, 互感系数随电感线圈第N匝边长的增加而增大, 并且比较明显。
综上所述可得出, 为了增大互感系数, 设计矩形平面螺旋电感线圈时, 应综合考虑两电感线圈的形状参数及距离, 在尽量使两线圈距离接近的同时, 增大线圈的外边长和匝数。譬如, 针对27 mm×27 mm的尺寸约束, 电感线圈的外边长也就固定 (为27 mm) , 设计时应在工艺允许的条件下尽量减小线圈导线的宽度 (线间距) 来增大线圈的匝数。假设线圈导线的宽度和线间距均为1 mm, 两线圈之间距离为10 mm, 那么线圈的匝数取为7匝时, 可以获得较大的互感系数0.142μH。
3 总结
非接触无源压力传感器信号检测系统的耦合特性是影响信号传输效率的重要因素, 而提高非接触无源压力传感器信号检测系统中读取天线和敏感头上电感线圈的互感系数能有效地提高信号的传输效率。通过对互感系数的理论计算及仿真分析, 得出两矩形平面螺旋电感线圈的形状参数和距离变化对互感系数的影响。为了提高非接触无源压力传感器信号检测系统的耦合性能, 两电感线圈的设计参数应相同, 设计时应尽量使两线圈平行相对放置且距离接近的同时, 增大线圈的外边长和匝数。本文的分析结果对于提高非接触无源压力传感器信号检测系统的信号传输效率有重要的理论指导意义和参考价值。
参考文献
[1] Nopper R, Niekrawietz R, Reindl L.Wireless readout of passive LC sensors.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2010;59 (9) :2450—2457
[2] 傅文珍, 张波, 丘东元, 等.自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计.中国电机工程学报, 2009;29 (18) :21—26
[3] Chen P J, Rodger D C, Saati S, et al.Microfabricated implantable parylene-based wireless passive intraocular pressure sensors.Journal of Microelectromechanical Systems, 2008;17 (6) :1342—1351
[4] Katuri K C, Asrani S, Ramasubramanian M K.Intraocular pressure monitoring sensors.Sensors Journal, 2008;8 (1) :12—19
[5] Fonseca M A, English J M, Arx M V, et al.Wireless micromachined ceramic pressure sensor for high-temperature applications.Journal of Microelectromechanical Systems, 2002;11 (4) :337—343
[6] English J M, Allen M G.Wireless micromachined ceramic pressure sensors.Proceedings of Microelectromechanical Systems.Orlando, FL, USA, 1999:511—516
[7] 刘庆.基于SAWR和轮胎阻抗的无源无线轮胎压力传感器研究.桂林:桂林电子科技大学, 2010
[8] 唐晓莉, 苏桦, 张怀武.一种新型无芯PCB平面电感器研究.电子器件, 2002;25 (4) :319—323
[9] 王长松, 张绪鹏, 许江枫.新型感应式电能传输系统的耦合特性研究.武汉理工大学学报, 2010;32 (3) :124—127
[10] 邱关源.电路.北京:高等教育出版社, 2006:265—283
[11] 齐立荣, 李海波, 朱义胜.平面螺旋电感参数的计算和仿真研究.林区教学, 2007; (2) :57—58