基于接觸理論的法蘭式液壓聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

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(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064;2.華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430074)

船用液壓聯(lián)軸器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工便利、裝拆方便等優(yōu)點(diǎn)，可避免因采用鍵槽而對(duì)零件強(qiáng)度產(chǎn)生的削弱，且傳遞轉(zhuǎn)矩大、對(duì)中性好，目前在造船工業(yè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。相對(duì)于西方國(guó)家，我國(guó)對(duì)液壓聯(lián)軸器技術(shù)的研究開(kāi)始較晚。已開(kāi)展的液壓聯(lián)軸器強(qiáng)度計(jì)算研究也以理論公式計(jì)算居多。隨著艦船軸系機(jī)械加工精度和性能要求的提高，在設(shè)計(jì)階段就需要獲得液壓聯(lián)軸器各種工作參數(shù)，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)[2-3]。

1 液壓聯(lián)軸器工作原理

常用的液壓聯(lián)軸器一般分為套筒式和法蘭式，兩者工作原理相同。液壓聯(lián)軸器核心部件都由兩個(gè)鋼制套管組成，一個(gè)較厚的外套和一個(gè)較薄的內(nèi)套，見(jiàn)圖1。內(nèi)套外表面和外套內(nèi)表面沿軸向具有相同的錐度。

圖1 液壓聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)組成

液壓聯(lián)軸器安裝時(shí)利用徑向油壓，使外套和內(nèi)套均產(chǎn)生彈性變形(外套擴(kuò)大，內(nèi)套收縮)。在軸向油壓推動(dòng)下，外套逐漸向錐面大端移動(dòng)。當(dāng)外套到達(dá)設(shè)計(jì)位置后，釋放徑向油壓，因接觸面間的幾何過(guò)盈配合致使外套、內(nèi)套和傳動(dòng)軸三者相互抱緊。工作時(shí)依靠過(guò)盈配合面間的摩擦力傳遞傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩。

2 接觸基礎(chǔ)理論

接觸分析屬于強(qiáng)幾何非線性問(wèn)題，在計(jì)算過(guò)程中會(huì)發(fā)生大量迭代。大多數(shù)接觸問(wèn)題需要考慮摩擦，而摩擦使接觸問(wèn)題的收斂性變得更加困難。一般接觸問(wèn)題的求解是一個(gè)反復(fù)迭代的過(guò)程。首先，需要假定一種可能的接觸狀態(tài)，然后帶入定解條件，得到接觸點(diǎn)的接觸應(yīng)力和應(yīng)變，判斷是否滿足接觸條件。如果不滿足接觸條件，修改接觸點(diǎn)的狀態(tài)重新計(jì)算，直到所有接觸點(diǎn)滿足接觸條件為止。計(jì)算流程見(jiàn)圖2。

圖2 接觸計(jì)算流程

根據(jù)液壓聯(lián)軸器工作原理可知，液壓聯(lián)軸器工作狀態(tài)下存在多個(gè)面同時(shí)發(fā)生接觸的現(xiàn)象。因此，需采取合理的建模方法使接觸面間的接觸關(guān)系較快地建立起來(lái)，以保證計(jì)算的收斂性。具體方法包括：在建立接觸過(guò)程中施加臨時(shí)邊界條件；施加微小位移使接觸關(guān)系平緩建立；分步建立接觸關(guān)系等。

3 數(shù)值建模

3.1 幾何建模

以某型船用法蘭式液壓聯(lián)軸器為分析對(duì)象，對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行研究。法蘭式液壓聯(lián)軸器幾何結(jié)構(gòu)具有軸對(duì)稱特性，見(jiàn)圖3。

圖3 法蘭式液壓聯(lián)軸器幾何結(jié)構(gòu)示意

為了提高計(jì)算精度，降低計(jì)算成本，采用軸對(duì)稱模型進(jìn)行數(shù)值模擬。液壓聯(lián)軸器及傳動(dòng)軸二維軸對(duì)稱幾何模型見(jiàn)圖4。

圖4 液壓聯(lián)軸器裝配體

由于采用軸對(duì)稱單元，節(jié)約了計(jì)算成本，建模時(shí)可以把聯(lián)軸器所有細(xì)節(jié)特征都精確建出，如聯(lián)軸器內(nèi)、外套上的螺旋油槽、圓角等。

3.2 網(wǎng)格劃分

將法蘭式液壓聯(lián)軸器外套、內(nèi)套及傳動(dòng)軸二維幾何模型單獨(dú)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格單元采用CGAX4二維軸對(duì)稱四邊形單元。網(wǎng)格劃分好后，再根據(jù)液壓聯(lián)軸器各部件之間的裝配關(guān)系，將外套、內(nèi)套及傳動(dòng)軸網(wǎng)格進(jìn)行裝配。最終獲得液壓聯(lián)軸器裝配體二維有限元模型。整個(gè)計(jì)算模型單元數(shù)為48 268，節(jié)點(diǎn)數(shù)為49 670，見(jiàn)圖5。

圖5 液壓聯(lián)軸器二維有限元模型

3.3 邊界條件

對(duì)液壓聯(lián)軸器裝配過(guò)程及最大負(fù)載工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。因此，根據(jù)分析工況的不同，需定義不同的邊界條件。

1)裝配過(guò)程。裝配過(guò)程初始時(shí)刻，內(nèi)外套剛剛發(fā)生接觸。約束軸和內(nèi)套的軸向位移，外套內(nèi)表面與內(nèi)套外表面之間、內(nèi)套內(nèi)表面與軸之間定義接觸關(guān)系。在外套法蘭端面施加移動(dòng)邊界，使其向內(nèi)套大端移動(dòng)到設(shè)計(jì)位置，共移動(dòng)35 mm。為了使接觸平緩建立，每個(gè)分析步外套只移動(dòng)1 mm。

在安裝過(guò)程中，內(nèi)外套承受使內(nèi)套收縮外套擴(kuò)張的110 MPa徑向油壓和使外套發(fā)生軸向位移的20 MPa軸向油壓。在安裝過(guò)程中這些油壓以均布?jí)毫ψ饔迷趦?nèi)外套的表面。

2)最大負(fù)載工況。該液壓聯(lián)軸器最大負(fù)載工況下，同時(shí)承受扭矩和軸向推力。計(jì)算模型中在外套與內(nèi)套接觸面、內(nèi)套與傳動(dòng)軸接觸表面之間定義過(guò)盈配合關(guān)系。轉(zhuǎn)矩采用建立參考點(diǎn)的方法施加在軸端，軸向推力根據(jù)軸端面積等效為壓強(qiáng)作用在端面，且施加扭矩時(shí)固定外套法蘭面。

4 材料屬性及計(jì)算工況

液壓聯(lián)軸器各部件及傳動(dòng)軸材料屬性見(jiàn)表1，裝配過(guò)程中的載荷為徑向油壓105 MPa，軸向油壓20 MPa。最大負(fù)載工況下軸系所傳遞的轉(zhuǎn)矩值為1 800 kN·m，軸向推力為700 kN。

表1 材料屬性

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 裝配過(guò)程

液壓聯(lián)軸器裝配過(guò)程分析結(jié)果，見(jiàn)圖6、7。

圖6 液壓聯(lián)軸器裝配過(guò)程動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析

圖7 裝配完成時(shí)外套內(nèi)壁接觸壓強(qiáng)

由圖6可知，該液壓聯(lián)軸器在外套內(nèi)孔法蘭端尖角處出現(xiàn)應(yīng)力集中(只有局部幾個(gè)單元應(yīng)力激增)，其余部位都達(dá)到了GJB3271—98的要求，即液壓聯(lián)軸器最大過(guò)盈時(shí)內(nèi)外套的綜合應(yīng)力不超過(guò)材料屈服極限的70%。

由圖7可見(jiàn)，外套與內(nèi)套接觸時(shí)大部分區(qū)域壓強(qiáng)在100 MPa附近浮動(dòng)，而兩端由于應(yīng)力集中的影響造成壓強(qiáng)驟升。由于液壓聯(lián)軸器是通過(guò)外套內(nèi)表面與內(nèi)套外表面、內(nèi)套內(nèi)表面與軸外表面之間的摩擦來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩的。因此，要求上述接觸面之間滿足一定的接觸壓力，其分布規(guī)律對(duì)聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩的傳遞及傳遞效率高低都有很大影響。

5.2 最大負(fù)載工況

液壓聯(lián)軸器最大負(fù)載工況時(shí)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。由圖8可見(jiàn)，該液壓聯(lián)軸器在最大負(fù)載工況下最大應(yīng)力仍未達(dá)到材料的屈服極限，能保證軸系工作安全可靠。

圖8 最大負(fù)載工況時(shí)液壓聯(lián)軸器應(yīng)力分布

6 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)液壓聯(lián)軸器裝配過(guò)程的仿真，發(fā)現(xiàn)該液壓聯(lián)軸器裝配完成后，在內(nèi)外套的接觸邊緣即外套尖角處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，在液壓聯(lián)軸器設(shè)計(jì)時(shí)，需充分考慮尖角等應(yīng)力集中部位對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。

2)對(duì)比裝配過(guò)程及最大負(fù)載工況時(shí)液壓聯(lián)軸器內(nèi)外套應(yīng)力分布可知，在裝配過(guò)程中產(chǎn)生的最大動(dòng)應(yīng)力要比最大負(fù)載工況時(shí)的應(yīng)力大。因此，在進(jìn)行液壓聯(lián)軸器設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)其裝配過(guò)程中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不應(yīng)忽視。

[1] 陳 奇，劉志剛，張文平.液壓聯(lián)軸器外套自緊身有限元分析[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，25(3)：318-321.

[2] 許定奇.過(guò)盈聯(lián)結(jié)的設(shè)計(jì)、計(jì)算與裝置[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1992.

[3] 陳道禮.過(guò)盈聯(lián)接的有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2004(2)：46-48.