花键联接强度分析

简介

问题描述

花键联接由花键套和花键轴组成，材料为45钢。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。两端面分别用RBE2连接到圆的中心，便于在中心上施加约束和载荷。内外花键的齿面建立接触，忽略初始穿透。

仿真结果

分别采用NX Nastran SOL101、NX Nastran SOL601 (Adina)和Abaqus standard进行求解。

NX Nastran SOL101（线性）求解结果：

NX Nastran SOL601（非线性）求解结果：

Simcenter网格导入Abaqus，网格类型选择C3D8R。默认单位是：mN、mm、kg，对应的应力单位是kPa。

Abaqus standard（非线性）求解结果：

三种求解器得到的结果几乎一样，对比如下。

求解器	单元类型	转角(rad)	应力(MPa)
NX Nastran SOL101	CHEXA(8)	0.0019	155.5
NX Nastran SOL601	CHEXA(8)	0.0020	156.3
Abaqus standard	C3D8R	0.0020	155.6

备注：

• NX Nastran 8节点六面体单元（CHEXA(8)），默认采用减缩积分。
  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.

• 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，需要不断更新接触面，应该采用非线性分析。

后记

从仿真结果可以看出，花键每个齿的变形和应力几乎是一样的，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？

答案是肯定的。利用NX Nastran的MPC连接功能，使单个齿两侧的节点在圆柱坐标系下的自由度耦合，就能实现以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。