大撓度彈性聯(lián)軸器試驗臺機座的靜態(tài)應(yīng)力分析

張進(jìn)春， 龔憲生，岳秋琴，謝光輝

（1. 重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331； 2. 重慶大學(xué) 機械工程學(xué)院，重慶 400044）

大撓度彈性聯(lián)軸器試驗臺機座的靜態(tài)應(yīng)力分析

張進(jìn)春1,2， 龔憲生2，岳秋琴1，謝光輝1

（1. 重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331； 2. 重慶大學(xué) 機械工程學(xué)院，重慶 400044）

0 引 言

彈性聯(lián)軸器在工程中有著廣泛的應(yīng)用。它的突出性能——緩沖和減振對機械系統(tǒng)有著至關(guān)的重要性，傳遞功率、調(diào)整系統(tǒng)固有頻率和補償兩軸的不對中。當(dāng)使用在發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動的裝置中時，具有緩沖、減振的功能，并能根據(jù)不同的軸系配置，采用不同特性參數(shù)的聯(lián)軸器，使之達(dá)到最佳的減振降噪效果。

為了能夠準(zhǔn)確地對傳動軸系進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振動分析，并在實際傳動系統(tǒng)中選擇正確的彈性聯(lián)軸器，其關(guān)鍵之一就是必須掌握彈性聯(lián)軸器的有關(guān)特性參數(shù)，主要包括動態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度和動態(tài)阻尼系數(shù)。在通常情況下獲取彈性聯(lián)軸器動態(tài)特性參數(shù)的有效途徑是在試驗臺上進(jìn)行試驗分析得出。試驗臺的機座是試驗臺的關(guān)鍵部件，它的承載能力決定著試驗臺的最大試驗范圍及實驗數(shù)據(jù)的精確度，為了確保其可靠性，必須對其進(jìn)行應(yīng)力分析。本文給出應(yīng)用SolidWorks 中的插件COSMOSWorks對大撓度彈性聯(lián)軸器試驗臺機座進(jìn)行靜態(tài)受力分析的方法及結(jié)果。

1 采用SolidWorks進(jìn)行三維建模及零件的狀態(tài)描述

根據(jù)試驗臺的總體設(shè)計方案及設(shè)備所要求的參數(shù)。在三維CAD軟件SolidWorks平臺下進(jìn)行建模。材料為鑄造碳鋼。其三維立體圖見圖1。

試驗臺相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求：

1）振動頻率5-20hz

2）振幅:±20°

3）最大轉(zhuǎn)矩（平動+變動）：30knm

根據(jù)設(shè)計要求，通過軸承軸承座將承受40T的軸向力，花鍵槽將承受30KN.M的扭矩。

2 靜態(tài)應(yīng)力分析

1）在SolidWorks環(huán)境下啟動COSMOSWorks。

2）創(chuàng)建算例并指定研究類型為靜態(tài)。

3）設(shè)定零件材料。設(shè)定材料屬性為鑄造碳鋼，其各項性能指標(biāo)如表1所示。

表1 材料性能

4）施加約束與載荷（如圖1所示）

在工作過程中，機座是通過底座上的四個螺栓孔進(jìn)行固定的，故在底座的四個螺栓孔上添加固定制約；機座軸承肩最大將承受40T的壓力，通過SolidWorks的分析功能得到軸肩的面積，計算得到軸肩的受力為3.67e7 N/m2，考慮到使用中的實際情況及可能的安裝誤差造成的受力情況改變，故在此施加4.0e7 N/m2的壓力以應(yīng)對突發(fā)性的過載情況；在花鍵槽的四個槽上均勻分布力矩30KN.m。

圖1 約束與載荷

5）網(wǎng)格劃分

采用高品質(zhì)實體單元類型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置好參數(shù)后選擇確定，系統(tǒng)開始自動進(jìn)行網(wǎng)格劃分（如圖2所示）, 單元數(shù)目為15620，節(jié)點數(shù)目為26225。

圖2 網(wǎng)格劃分

6）網(wǎng)格劃分好后采用FFE解算器進(jìn)行解算。

3 結(jié)果分析

3.1 位移分析

通過圖3可以看出在軸承座的頂端最大位移有7.053e-4m，但通過圖4可看出其變形方向朝向花鍵槽方向，對輸出結(jié)果沒多大影響，可以不考慮。重點考慮花鍵部分的位移，最大位移量5.290e-4m，此處直徑330mm，產(chǎn)生的角度位移為：

不會對實驗結(jié)果產(chǎn)生大的影響。故從變形位移的角度考慮，機座是滿足設(shè)計要求的。

3.2 應(yīng)力、安全系數(shù)分析

圖3 位移圖解

圖4 變形圖解

通過圖5可以看出在底座的螺栓孔邊緣產(chǎn)生最大應(yīng)力4.95e+008 N/m2，而材料的屈服強度為2.2059e+008 N/m2，故在此會產(chǎn)生塑形變形。通過圖6的安全系數(shù)分析看出最小安全系數(shù)5.012e-1。故從應(yīng)力及安全系數(shù)方面考慮，機座存在一定問題，要通過措施解決來減小應(yīng)力、提高安全系數(shù)。

圖5 應(yīng)力圖解

圖6 安全系數(shù)圖解

3.3 解決措施

我們將底座孔的數(shù)量增加兩個，底座加厚30mm，螺栓孔尺寸從25mm增加到28mm，再進(jìn)行分析，得到如圖7所示應(yīng)力圖和圖8所示安全系數(shù)圖。由圖中可以看出最大應(yīng)力減小為1.896e+008 N/m2，小于材料屈服強度；最小安全系數(shù)1.309，符合安全條件，解決措施有效。

圖7 應(yīng)力圖解

圖8 安全系數(shù)圖解

4 結(jié)論

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)創(chuàng)新設(shè)計也越來越多地采用計算機軟件來實現(xiàn)。本文以大撓度彈性聯(lián)軸器試驗臺的機座為研究對象，利用SolidWorks的COSMOSworks模塊對其靜態(tài)應(yīng)力進(jìn)行有限元分析，校核其機座強度，并給出減小應(yīng)力、提高安全系數(shù)的有效措施，以提高機座的可靠性，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供了重要的指導(dǎo)。實踐證明，該方法較其他有限元軟件簡單實用，大大提高工作效率。

[1]SOLIDWorks機械設(shè)計院.SOLIDWorks 2007高級設(shè)計[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[2]SOLIDWorks公司.COSMOS基礎(chǔ)教程:SOLIDWorks Professional[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.

[3]謝黎明,李大明,沈浩,等.基于COSMOSWorks的現(xiàn)場銑床結(jié)構(gòu)分析[J].機械與電子,2008,(9):20-22.

[4]裴均曄.基于COSMOSWorks下的靜態(tài)應(yīng)力分析[J].機械管理開發(fā).2008,(8):168-169.

Analysis of static stress based on highly flexible shaft coupling test bench

ZHANG Jin-chun1,2, GONG Xian-sheng2, YUE Qiu-qin1, XIE Guang-hui1

彈性聯(lián)軸器試驗臺的機座是試驗臺的關(guān)鍵部件，它的承載能力決定著試驗臺的最大試驗范圍及試驗數(shù)據(jù)的精確度，為了確保其可靠性，必須對其靜態(tài)應(yīng)力進(jìn)行分析。本文以大撓度彈性聯(lián)軸器試驗臺的機座為研究對象，應(yīng)用SolidWorks中的插件COSMOSWorks 對其進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析，校核機座強度，并給出減小應(yīng)力、提高安全系數(shù)的有效措施，以提高機座的可靠性。實踐證明，該方法較其他有限元軟件簡單實用，大大提高工作效率。

彈性聯(lián)軸器；試驗臺機座；靜態(tài)應(yīng)力；SolidWorks；COSMOSWorks

張進(jìn)春（1971－），男，四川人，副教授，碩士，主要從事機械設(shè)計與制造、CAD/CAM/CAE等領(lǐng)域的教學(xué)及研究工作。

TP391

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1009-0134(2010)06-0142-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.06.47

2010-01-27