图5原始轴段有限元模型

磨损部位材料30Cr2NI4MoV钢的机械性能如表2所示。

表2室温下30Cr2NI4MoV钢机械性能数据

根据式(6)求解节点扭应力，加载求解后，查看后处理器，其结果如图6所示。

图6原始轴段剪应力分布

最大剪应力为91.5MPa，出现在倒角端部，该处名义应力为69.09MPa，理论应力集中系数KT=1.32。

3.3不同处理方案下应力集中分析

对磨损部位的处理，基本原则是在保证安全的前提下易于加工。由于传统的应力集中系数是根据查表的方式确定的，是一个估计值，很难反映出加工尺寸的微小变化对应力集中系数值的影响，本文采用有限元法对3种不同的处理方案及原始处理方案计算了应力集中系数。

3.31方案一

图7磨损部位处理方案一截面图

即在保持磨损部位宽度不变的前提下以两个最大倒角处理磨损部位，以环形槽处理凹坑，如图7所示。

导入有限元软件计算求得应力分布如图8所示。

由图8可知，最大剪应力为244 MPa，此处的名义应力为103.88 MPa ，理论应力集中系数KT=2.35。

3.3.2方案二

凹坑以球台形结构处理，如图9所示。

导入有限元软件计算求得应力分布如图10所示。

图8方案一处理后磨损部位剪应力分布

图9磨损部位处理方案二截面图

图10方案二处理后磨损部位剪应力分布

由图10可知，最大剪应力为197 MPa。，此处的名义应力为103.88 MPa，理论应力集中系数KT=1.90。

3.3.3方案三

采用两最大倒角处理切削凹坑的前后部，如图11所示。

导入有限元软件计算求得应力分布如图12所示。

由图12可知，最大剪应力为159 MPa ，此处的名义应力为103.88 MPa，理论应力集中系数KT=1.53。

按原始方案处理后的剪应力分布如图13所示。

由图13可知，最大剪应力为176 MPa ，此处的名义应力为103.88 MPa ，理论应力集中系数KT=1. 69。

图11磨损部位处理方案三截面图

图12方案三处理后磨损部位剪应力分布

图13原始方案处理后磨损部位剪应力分布

从表3可以看出，处理方案三相比原始处理方案，最大剪应力下降9.66%，在相同扭矩下最大剪应力最小，由图可知，其处理相对简单，切削量较小，建议采用方案三进行处理。

表3处理方案计算结果汇总

4结束语

1) 采用有限元法对处理方案进行优化，可以事先预测应力集中系数的变化趋势，科学判断各种处理方案的优劣，通过改进措施，使最大剪应力下降了9.66%，增强了磨损部位的安全性。

2) 通过准确计算磨损轴段的应力集中系数，为磨损部位在各种工况及故障下的应力计算提供了科学依据，为安全性评估奠定了理论基础。