过盈配合有限元分析：滑动力、扭矩、接触面积

过盈配合有限元分析：滑动力、扭矩、接触面积

过盈配合是机械设计中常见的连接方式，其可靠性直接影响产品的性能和寿命。通过有限元分析方法，工程师可以准确计算过盈配合的滑动力、扭矩和接触面积等关键参数，从而优化设计。本文将详细介绍如何使用Simcenter SOL 101线性静态有限元分析方法进行过盈配合的分析。

Simcenter网格划分

几何模型轴和孔的直径可以画成一样大（既没有过盈也没有间隙），后续在仿真中可以设置接触面的过盈量，本例的轴孔直径均为30mm。在划分网格时，轴和孔圆周方向的节点最好对齐，避免网格近似造成的干涉（网格组成的多边形近似代表圆形）。Simcenter的网格配对命令，可以保证接触面上的节点对齐。

过盈量设置

零件材料为钢，单边过盈量0.02mm。采用Simcenter SOL 101线性静态解算方案，约束带孔零件的底面，轴孔配合面设置接触。轴的表面向外偏置0.02mm，模拟过盈量。

注意：SOL 101线性静态解算方案的优势在于快速校核设计方案，劣势则是无法考虑非线性。如果过盈量太大，材料发生屈服，应该采用非线性分析方案。

根据接触压力计算滑动力和力矩

查看接触压力结果，最大值138MPa，最小值89MPa。选择轴表面接触区域的所有节点，可以统计出接触面的平均压力：100MPa。

轴孔直径30mm，配合长度25mm，计算圆柱配合面的面积为：S=25303.14=2355mm2。

面积×平均接触压力，得到接触法向力：F=235500N。假设摩擦系数为0.1，则滑动力f=0.1F=23550N

采用Simcenter SOL 401多步非线性分析方案和Abaqus对以上结果进行验证。第一步计算过盈配合，第二步沿着轴线方向施加位移计算反力。

Simcenter SOL 401计算的滑动力为：23081N；Abaqus计算的滑动力为：22960N。两者均与前面的计算结果接近，误差不超过3%.

将圆周方向的滑动摩擦力乘以轴的半径，就可以得到摩擦扭矩：T=23550*15=353250N.mm=353N.m。

轴孔配合面没有完全接触的情况

在前面的案例中，轴孔配合面上的接触压力最小值是89Mpa，说明接触面上每个位置的接触压力均大于零，即整个圆柱配合面完全接触。

如果带孔零件上有一个开口，配合面将出现接触压力为零的区域（没有接触，存在间隙）。将接触压力小于0.01MPa的区域隐藏掉，平均接触压力为15MPa，如下图所示：

这种情况，如果想要计算接触区域的面积，可以将云图改为等值线显示方式，输出jt格式的文件。

然后将jt曲线导入原始ug几何模型中，拆分出接触区域。下图中红色代表接触区域。

在ug建模界面，可以测量出接触区域的面积为：1449mm2。

面积×平均接触压力，得到接触法向力：F=144915=21735N。假设摩擦系数为0.1，则滑动力f=0.1F=2174N。滑动力乘以半径，得到摩擦扭矩为：T=217415=32610N.mm=32.6N.m

Simcenter SOL 101线性静态解算方案，可以帮助工程师在产品设计初期快速了解过盈配合的滑动力/力矩。