АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОМПОНЕНТА СТУПИЦЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДЕЛИРОВАНИЯ SAE

ANALYSIS OF THE STRESS-STRAIN STATE OF THE HUB COMPONENT USING SAE MODELING

Ezinmegnon Midonoukoun Humbert

Student, Department of Mechanical Engineering, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,

Russia, Belgorod

Zhukov Evgeny Mikhailovich

 scientific supervisor, Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,

Russia, Belgorod

АННОТАЦИЯ

Критически важный компонент узла (ступица) работает под контактной нагрузкой из-за посадки с натягом. Целью данного исследования является проверка прочности конструкции ступицы с использованием метода конечных элементов, гарантирующего соблюдение требуемого коэффициента запаса прочности в заданных условиях эксплуатации. Для этого была создана численная модель детали в интегрированной среде КОМПАС с применением граничных условий, имитирующих посадку с натягом в процессе эксплуатации. Был проведен статический анализ прочности с использованием тетраэдрической сетки второго порядка. Были проанализированы эквивалентные напряжения, радиальные деформации и коэффициент запаса прочности. Было установлено, что максимальные эквивалентные напряжения (250.3 МПа) расположены на краю зоны посадки с натягом и не превышают предел текучести материала (650 МПа). Коэффициент запаса прочности был рассчитан как 2.60, что удовлетворяет минимальному требованию (n ≥ 1,5). Радиальное смещение внутреннего отверстия не превышает 0,019 мм, что является приемлемым. На основании наблюдений, конструкция ступицы полностью соответствует требованиям к прочности и жесткости для заданных условий эксплуатации. Исследование демонстрирует эффективность использования интегрированного модуля CAE системы КОМПАС для проверки и оптимизации механических деталей на самых ранних этапах проектирования.

ABSTRACT

A critical component of the assembly (the hub) operates under contact load due to an interference fit.The objective of this study is to verify the robustness of the hub design using the finite element method to ensure compliance with the required safety factor under the specified operating conditions. To this end, a numerical model of the component was created in the COMPAS integrated environment, using boundary conditions simulating an interference fit in operation. A static strength analysis was performed using a second-order tetrahedral mesh. The equivalent stresses, radial strains, and safety factor were analyzed. It was found that the maximum equivalent stresses (250.3 MPa) are located at the boundary of the interference fit zone and do not exceed the material's yield strength (650 MPa). The safety factor was calculated to be 2.60, which meets the minimum requirement (n ≥ 1.5). The radial displacement of the inner bore does not exceed 0.019 mm, which is acceptable. Based on observations, the hub design fully meets the strength and stiffness requirements for the specified operating conditions. The study demonstrates the effectiveness of using the integrated COMPAS CAE module for validating and optimizing mechanical components from the earliest stages of design.

Ключевые слова: ступица, метод конечных элементов (МКЭ), КОМПАС, прочность, коэффициент запаса, напряженно-деформированное состояние, валидация конструкции.

Keywords: hub, finite element method (FEM), КОМПАС, strength, safety factor, stress-strain state, design validation.

Введение

Деталь «Ступитас» является критически важным компонентом узла станка. Она подвергается значительным нагрузкам (зажим, крутящий момент). Ее конструкция нуждается в проверке. Цель данного исследования — провести конечно-элементный анализ прочности для проверки напряжений и коэффициента запаса прочности, а также выявить критические зоны с использованием системы CAE, интегрированной в КОМПАСЕ.

Методика исследования

Геометрия детали (ступица):

• Основной диаметр: Ø26 мм (поверхность запрессовки)
• Внутренний диаметр: Ø18 мм (рабочее отверстие)
• Диаметр фланца: Ø60 мм
• Материал: Сталь 12ХН3А после термообработки

Свойства материала (определены в КОМПАС):

• Модуль Юнга: E = 210 000 МПа
• Коэффициент Пуассона: ν = 0,3
• Предел текучести: σ_y = 650 МПа (после закалки + отпуск 35-38 HRC)
• Плотность: ρ = 7 850 кг/м³

Геометрия детали (ступица):

• Основной диаметр: Ø26 мм (поверхность запрессовки)
• Внутренний диаметр: Ø18 мм (рабочее отверстие)
• Диаметр фланца: Ø60 мм
• Оценочная длина зоны запрессовки: L = 10 мм
• Материал: Сталь 12ХН3А после термообработки

Свойства материала (определены в КОМПАС):

• Модуль Юнга: E = 210 000 МПа
• Коэффициент Пуассона: ν = 0,3
• Предел текучести: σ_y = 650 МПа (после закалки + отпуск 35-38 HRC)
• Плотность: ρ = 7 850 кг/м³

Давление на контактную поверхность

1. Выбор поверхности: Цилиндрическая поверхность Ø26 мм
2. Величина давления: 64.2 МПа
3. Направление: Нормаль к поверхности, направлено внутрь​

Рисунок 1. Давление на контактную поверхность

Рисунок 2. Создание сетки КЭ

Рисунок 3a. Анализ результатов

Рисунок 3b. Анализ результатов

Сравнение со спецификациями

Таблица1

Валидации

Анализ чувствительности

1. Влияние размера сетки: Результаты стабильны при шаге < 0,1 мм
2. Эффект порядка элементов: Разница < 3% между 1-м и 2-м порядком
3. Численная сходимость: Невязка < 10⁻⁶ после 8 итераций

Заключение по анализу в КОМПАС: Сгенерированная сетка из 40 340 элементов демонстрирует превосходное качество со всеми выполненными критериями валидации. Полученные результаты (максимальное напряжение 250,3 МПа, коэффициент запаса 2,60) подтверждают надежность конструкции. Полная интеграция в COMPAS обеспечила согласованный рабочий процесс от моделирования до постобработки с инструментами проверки, адаптированными для промышленного анализа.

Список литературы:

1. Ельцов М.Ю. Основы расчета изделия на прочность в приложении NX Расширенная симуляция [Электронный ресурс] : учебное пособие / М.Ю. Ельцов, П.А. Хахалев. — Электрон. текстовые данные. — Белгород : БГТУ им. В.Г. Шухова, 2014. — 207 c. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/49716.
2. Поляков, А.Н. Расчет несущих систем станков в CAE-системе Ansys [Электронный ресурс] : учебное пособие / А.Н. Поляков, С. Каменев, К. Романенко. — Электрон. текстовые данные. — Оренбург : ОГУ, 2013. — 190 с. — Режим доступа: //biblioclub.ru/index.php?page=book&id=259325.
3. Аверченков, В.И. Автоматизация подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ. Ч. 2 [Электронный ресурс] : учебное пособие / В.И. Аверченков [и др.]. — Электрон. текстовые данные. — Брянск : БГТУ, 2012. — 212 c. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/7010.
4. Маслова. — Белгород : Изд-во БГТУ, 2014. — Режим доступа: https://elib.bstu.ru/Reader/Book/2015012112352802100000651536.