扭矩扳手檢定裝置受力桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

/濱州市計量測試檢定所

0 引言

扭矩扳手檢定裝置是一種用于對扭矩扳手進(jìn)行扭矩值檢定的裝置。在扭矩值檢定過程中受力桿在扭矩扳手反作用力的作用下會產(chǎn)生一定彈性形變，進(jìn)而影響檢定數(shù)值的準(zhǔn)確性。以往的設(shè)計中通過增加受力桿的長度來減小檢定過程中受力桿的變形對檢定數(shù)值造成的影響，這種設(shè)計理念使得檢定裝置相對笨重，影響了使用過程中的靈活性，也無形中增加了制造成本[1]。

利用ANSYS Workbench建立仿真模型對受力桿進(jìn)行靜力學(xué)分析，模擬其對扭矩扳手進(jìn)行扭矩值檢定時在扭矩扳手反作用力下的應(yīng)力、應(yīng)變及變形的情況，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)對受力桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、輕量化設(shè)計[2]。

1 受力桿結(jié)構(gòu)

受力桿總長度為1 045 mm，厚24 mm，材料為45號鋼，其抗拉強度600 MPa，屈服強度355 MPa，質(zhì)量為10.677 kg[3]。受力桿結(jié)構(gòu)由一端鉆有圓孔的長方體實體和圓環(huán)組成。受力桿圓環(huán)與標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器連接，圓孔處與滑動支撐連接。受力桿長方體實體側(cè)面承受局部壓力。受力桿結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 受力桿結(jié)構(gòu)

2 受力桿的靜力學(xué)分析

扭矩扳手檢定裝置設(shè)計所能檢定的最大扭矩為1 000 N·m。其扭矩方程為式（1）。其中，最大扭矩M0=1 000 N·m，力臂L=714 mm ；則受力桿側(cè)面承受局部壓力F=1 400 N。

建立受力桿的有限元分析模型，定義材料屬性：彈性模量為2.09×105MPa，泊松比為0.269，密度7.89×103kg/m3。其結(jié)構(gòu)動力學(xué)方程[4]為

式中：[M]——質(zhì)量矩陣；

{x}——位移矢量；

[C]——阻尼矩陣；

[K]——剛度系數(shù)矩陣；

{F}——力矢量

由于受力桿滿足連續(xù)體結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)在載荷下的應(yīng)力、應(yīng)變以及位移也是連續(xù)的；結(jié)構(gòu)材料變形滿足胡克定律，受力桿線性靜力分析不受時間因素的影響，速度、加速度變量可以略去[5]，則方程變?yōu)?/p>

根據(jù)受力桿整體尺寸及結(jié)構(gòu)特點設(shè)置的網(wǎng)格尺寸準(zhǔn)確度，對受力桿進(jìn)行自動劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分后的模型，其節(jié)點數(shù)為753 915，網(wǎng)格數(shù)為171 264。

對劃分好網(wǎng)格的受力桿模型的圓環(huán)和圓孔處施加固定約束，并在受力桿側(cè)面力臂L=714 mm處施加局部壓力F=1 400 N。求解完成后查看受力桿在載荷F作用下的等效應(yīng)力、總形變和Z軸位移形變云圖[6]。

從圖2、圖3、圖4得出，受力桿的最大等效應(yīng)力σmax=62.124 MPa，最小應(yīng)力σmin=7.124 8 MPa；最大位移總形變δmax=0.049 mm，Z軸最大位移形變δzmax=0.049 mm。分析等效應(yīng)力云圖和位移總形變云圖可知，受力桿的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在應(yīng)力集中的軸孔處，最大值為62.124 MPa，遠(yuǎn)小于材料的可用應(yīng)力。受力桿Z軸方向位移形變與受力桿位移總形變的一致性表明，受力桿在側(cè)面局部壓力F的作用下產(chǎn)生Z軸方向的彈性形變，且最大形變量為0.049 mm，遠(yuǎn)小于扭矩扳手在檢定過程中的變形，對檢定過程中數(shù)值的影響可以忽略不計[7]。

圖2 受力桿的等效應(yīng)力云圖

圖3 受力桿的位移總形變云圖

圖4 受力桿的Z軸位移形變云圖

3 受力桿的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在對受力桿的靜力學(xué)分析中可以得出受力桿的最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，受力桿的位移形變量也很小，可以對其結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化處理。

由于受力桿中間部位承受應(yīng)力較小，可采用工字形結(jié)構(gòu)代替長方體實心結(jié)構(gòu)[8]。受力桿優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 受力桿優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)

對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相同載荷和約束下的靜力學(xué)分析，求解得到優(yōu)化后的等效應(yīng)力云圖（圖6）、位移總形變云圖（圖7）。受力桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的質(zhì)量、最大位移總形變量、最大等效應(yīng)力對比如表1所示。

圖6 受力桿優(yōu)化后的等效應(yīng)力云圖

圖7 受力桿優(yōu)化后的位移總形變云圖

表1 受力桿優(yōu)化前后參數(shù)表

通過對比受力桿優(yōu)化前后的參數(shù)得出，受力桿質(zhì)量減小40.5%，最大等效應(yīng)力減小15.6%，其原因為采用工字形結(jié)構(gòu)減小了中間支撐的剛性，對圓孔處的應(yīng)力集中起到了一定的緩和作用。最大位移總形變量增加0.006 mm，可以忽略。優(yōu)化后的最大位移總形變量和最大等效應(yīng)力都在許用范圍之內(nèi)。從對受力桿的優(yōu)化結(jié)果分析中可以看出，采用工字形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案可以在滿足結(jié)構(gòu)強度和形變量的前提下實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計。

4 結(jié)語

通過對扭矩扳手檢定裝置受力桿結(jié)構(gòu)的分析與優(yōu)化可以看出，優(yōu)化后的受力桿質(zhì)量減小40.5%，并且保證了最大等效應(yīng)力和最大位移形變量都控制在可用范圍內(nèi)。達(dá)到節(jié)約材料減輕質(zhì)量的目的，為今后相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計提供改進(jìn)方向。