花键强度及旋锻工艺仿真

问题描述

花键联接由花键套和花键轴组成，一端固定，另一端静态加载120Nm扭矩。

仿真模型

首先，在NX中对几何体进行拆分，切割出一个齿。然后，进入Simcenter Pre/Post模块，划分六面体网格；单元类型为CHEXA(8)。最后，旋转得到整个模型的网格。

仿真结果

分别采用NX Nastran SOL101、NX Nastran SOL601 和Abaqus 进行求解，得到的应力结果如下。

三种求解器得到的结果几乎是一样的。

备注：

• NX Nastran 8节点六面体单元CHEXA(8)默认采用bubble函数修正的减缩积分。这种单元可以有效缓解剪切自锁，又不至于造成零能模式（沙漏）。
  For CHEXA and CPENTA elements with no midside nodes, reduced shear integration with bubble functions (ISOP = blank or “REDUCED” and IN =blank or “BUBBLE”) is the default. This is recommended because it minimizes shear locking and Poisson’s ratio locking and does not cause modes of deformation that lead to no strain energy. （关于剪切自锁，请参考本站理论知识：FEM09-非协调单元）
• NX Nastran SOL101采用线性分析方法，其接触算法一般只适用于小滑移接触情况。参与接触的单元面在求解前已经确定（取决于搜索距离），无法在求解过程中更新。如果需要考虑接触状态在求解过程中发生变化的情况，应该采用非线性分析。

从仿真结果可以看出，花键每个齿的应力几乎是一样的，圆周方向呈现周期性变化规律。能否仅对一个齿进行仿真，并且得到和完整模型一致的结果？

当然可以。利用NX Nastran的MPC自由度耦合功能，使单个齿两侧的节点在圆柱坐标系下的自由度耦合在一起，就能实现用一个齿代替整个模型进行仿真。Simcenter的Automatic Coupling可以快速实现这种自由度耦合。

仅需要单个花键齿的网格，固定花键套末端，在花键轴这端的圆柱面上施加扭矩（实际扭矩/齿数），两侧节点在圆柱坐标系下耦合自由度。NX Nastran SOL101求解得到的应力为155.3MPa，与前面整个模型进行仿真的结果一致。计算时间大大减少，提高了效率。

旋锻工艺仿真

汽车转向轴一般是阶梯轴，且带有可伸缩的花键配合结构，用于碰撞溃缩。转向轴采用旋锻工艺，可以快速成形，加工效率很高。

旋锻过程的动画如下图所示。（来源于FELSS）

对内花键的旋锻过程进行仿真研究，可以掌握旋锻后成品尺寸的变化规律，为产品设计提供参考。