基于ANSYS聯(lián)軸節(jié)的有限元分析

屈彩虹，張兵，張磊

（1.海軍航空工程學(xué)院 飛行器工程系，山東 煙臺 264001；2.濟寧市國土資源局任城分局，山東 濟寧 272000）

0 引言

聯(lián)軸器是用來聯(lián)接不同機構(gòu)中的兩根軸（主動軸和從動軸）并使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機械零件。聯(lián)軸器由兩部分組成，分別與主動軸和從動軸聯(lián)接，是機械產(chǎn)品軸系傳動最常用的聯(lián)接部件。動力機一般都借助于聯(lián)軸器與工作機相聯(lián)接，機器運轉(zhuǎn)時兩軸不能分離，只有機器停車并將聯(lián)接拆開后，兩軸才能分離。在高速重載的動力傳動中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態(tài)性能的作用，可減少機械傳動系統(tǒng)的振動,降低沖擊尖峰載荷.加強對聯(lián)軸節(jié)力學(xué)性能的了解，,對提高煤礦機電設(shè)備的安全可靠性,設(shè)備可用率,降低設(shè)備強迫停運幾率,減少維修費用,延長設(shè)備使用壽命等都有著重要意義，所以有必要對聯(lián)軸節(jié)進行有限元分析，提高聯(lián)軸節(jié)的可靠性，為聯(lián)軸節(jié)的生產(chǎn)設(shè)計和進一步優(yōu)化提供參考。

1 安裝后有限元分析

1.1 有限元模型

該聯(lián)軸節(jié)由外套、內(nèi)套和軸組成，外套與內(nèi)套，內(nèi)套與軸之間通過過盈配合聯(lián)接，外套與內(nèi)套接觸面為錐度配合，在彈性變形的作用下使外套、內(nèi)套和軸系相互抱緊，形成一個能同步回轉(zhuǎn)、傳遞扭矩的整體。安裝模型為軸對稱結(jié)構(gòu)，所以采用四分之一模型建模，減少單元數(shù)量，以便提高運算速度。

網(wǎng)格劃分采用映射網(wǎng)格劃分，單元類型選取solid185，劃分完的有限元模型如圖1。

圖1 有限元模型

外套、內(nèi)套、軸的材料均為鋼，彈性模量E=206 GPa，泊松比u=0.25，密度取7.9×103kg/m3，材料的強度極限為720 MPa，本模型采用參數(shù)化建模，長度單位采用mm，力單位采用N。采用接觸對來完成聯(lián)軸節(jié)安裝工況的分析，外套與內(nèi)套、內(nèi)套分別與主動軸和從動軸構(gòu)建接觸對。

1.2 應(yīng)力分析

安裝后總體應(yīng)力云圖如圖2、圖3 所示，從圖2 中可以看出，在外套截面突變處應(yīng)力較大，一是由于應(yīng)力集中，二是由于端部效應(yīng)，在外套外表面應(yīng)力為272 MPa。

圖2 聯(lián)軸器總體應(yīng)力云圖

圖3 外套應(yīng)力云圖

從圖3 中可以看出外套內(nèi)表面應(yīng)力為479 MPa，在端部截面突變處出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力較大，為612 MPa。

從外套內(nèi)表面壓應(yīng)力曲線（如圖4）可以看出，外套與內(nèi)套之間的壓應(yīng)力平均為120 MPa，在端部有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在兩軸結(jié)合處壓應(yīng)力稍微減小，但也大于要求的設(shè)計壓力110 MPa，所以連接部分內(nèi)套與外套符合要求。

圖4 外套內(nèi)表面壓應(yīng)力曲線

內(nèi)套內(nèi)表面與軸的外表面之間的壓應(yīng)力如圖5 所示。

從圖5 中可以看出內(nèi)套與軸的接觸面壓應(yīng)力也在110 MPa 以上，可以達到設(shè)計要求，在內(nèi)套端部由于沒有外套的接觸，故壓力較小，與實際情況符合。

2 施加扭矩時的應(yīng)力分析

2.1 有限元模型

聯(lián)軸節(jié)主要起傳遞扭矩的作用，在施加扭矩時采用建立MPC 點的形式，將扭矩施加于MPC 點。所建立有限元模型如圖6。

2.2 有限元分析

圖5 內(nèi)套內(nèi)表面的壓應(yīng)力曲線

圖6 加扭有限元模型

圖7 加扭整體應(yīng)力云圖

圖8 加扭后內(nèi)套接觸強度分布曲線

在該聯(lián)軸節(jié)一端施加扭矩后，總體聯(lián)軸節(jié)應(yīng)力云圖如圖7。從圖7 可以看出，在施加扭矩端部應(yīng)力很大，原因是MPC 點與端部各點建立剛性梁，施加扭矩時端部各點受力較大，此部分除去不計，整體聯(lián)軸節(jié)應(yīng)力為640 MPa。從加扭后的接觸強度曲線可以看出，施加扭矩后內(nèi)套與軸的接觸應(yīng)力仍大于110 MPa，說明了模型的可靠性。

3 結(jié)語

通過對聯(lián)軸器的分析，得到了聯(lián)軸器的整體應(yīng)力云圖，并分析了聯(lián)軸器外套與內(nèi)套、內(nèi)套與軸接觸面處的壓應(yīng)力分布曲線，說明此設(shè)計可以滿足要求，并找到了應(yīng)力最大區(qū)域，為聯(lián)軸器后續(xù)研究提供了可參考的力學(xué)模型，為下一步聯(lián)軸器的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

［1］龔曙光，謝桂蘭.ANSYS 操作命令與參數(shù)化編程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［2］何君毅，林祥都.工程結(jié)構(gòu)非線性問題的數(shù)值解法［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1994.

［3］中國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 150-2011，壓力容器［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.