千斤頂是一種常見的機械裝置，用于提升重物或產(chǎn)生力量，通常由一個可伸縮的柱子和一個活塞組成。它的主要作用是通過施加力量來提升或支撐重物，或者用于調(diào)整物體的位置。下面我們使用ABAQUS有限元分析軟件對千斤頂進行模擬仿真和結(jié)構(gòu)力學(xué)進行分析。

使用Abaqus/Standard的非線性功能，我們對某螺桿式千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)進行了分析，采用了初始過盈配合技術(shù)進行求解。我們研究了該結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布情況。

螺旋千斤頂，特別適合于小型和輕型起重任務(wù)，是一種常見的起重設(shè)備，廣泛用于提升、運輸、裝卸、安裝及某些特殊工藝操作。其最簡單的形式是直接用手柄驅(qū)動螺桿，這種千斤頂已成為一般小型轎車的標(biāo)準(zhǔn)配件之一，主要用來頂舉汽車，方便更換輪胎。

圖 1 螺桿式螺紋千斤頂結(jié)構(gòu)

（A 為上嚙合齒；B 為下嚙合齒；C 為螺桿齒銷；D 為手動柄安裝部位）

如圖1所示，典型的螺旋式螺紋千斤頂利用螺桿和嚙合齒的配合實現(xiàn)頂舉功能。在工作時，載荷從上部通過嚙合齒和支撐桿向下傳遞，而手柄端并不承擔(dān)載荷。螺桿主要起橫向固定作用，并將載荷通過下支撐桿傳遞到下嚙合齒及底座上。

接觸算法

Abaqus/Standard采用迭代法處理接觸問題，在每個加載步驟開始時，它會檢查所有接觸相互作用的狀態(tài)。如果從屬節(jié)點處于閉合狀態(tài)，它會進一步判斷是處于滑動還是粘結(jié)，然后對接觸狀態(tài)進行相應(yīng)的處理。對于從閉合狀態(tài)變?yōu)殚_放的節(jié)點，Abaqus/Standard會解除對其的約束。然后，它會對模型進行迭代，并利用修正值進行更新，以獲得更精確的結(jié)果。

模型

為重點關(guān)注嚙合齒與螺桿螺紋配合部位的接觸，我們建立了實體網(wǎng)格單元，主要采用六面體網(wǎng)格單元C3D8I。使用Connector單元模擬轉(zhuǎn)動軸，以準(zhǔn)確處理其運動和受力情況。在嚙合齒和螺桿螺紋部位建立了接觸關(guān)系Contact，以模擬實際接觸行為。同時，其他部位使用Tie連接，以保證結(jié)構(gòu)整體性。

圖 3 千斤頂結(jié)構(gòu)有限元模型

（A1 為千斤頂；A2 為螺桿及銷；A3 為嚙合齒）

在螺紋配合和嚙合齒接觸部位，存在少量過盈量。為了實現(xiàn)接觸配合，我們可以使用CONTACT INTERFERENCE和SHRINK關(guān)鍵字。更多相關(guān)信息可以在ABAQUS幫助文件中找到。

材料

螺桿及銷材料為 45 號鋼，鈑金件為 ST12。

邊界條件

我們考慮千斤頂?shù)墓ぷ鳡顩r，因此主要考慮下端支撐面的邊界條件，這里約束了所有的自由度。加載的載荷主要是上端頂舉部件的重量。針對轎車，我們以一定比例的整備質(zhì)量作為施加的載荷，作用在千斤頂?shù)纳隙嗣妗?/span>

結(jié)果分析

圖 4 千斤頂整體以及螺桿變形

圖 5 千斤頂整體應(yīng)力分布及螺桿和嚙合齒的應(yīng)力分布

根據(jù)變形云圖，千斤頂?shù)恼w變形量約為0.86mm，螺桿的變形量約為0.65mm，這個變形量相對較小。從結(jié)構(gòu)上看，整體的應(yīng)力分布均勻，沒有超過材料的屈服極限。對于螺桿的應(yīng)力，主要集中在接觸齒和齒根處，而嚙合齒的應(yīng)力主要分布在齒上。

Abaqus/Standard依靠其強大的非線性分析功能和卓越的接觸算法收斂性，能夠出色地解決各種復(fù)雜的接觸問題。此外，通過利用SHRINK功能，它可以自動計算過盈配合，從而有效分析螺紋配合、嚙齒配合等接觸問題。該軟件能夠合理地分布應(yīng)力，進一步提高了接觸問題分析的準(zhǔn)確性和效率。