萬向聯(lián)軸器應(yīng)力分布及ANSYS有限元分析

李志偉， 王野平

（1.寧波鋼鐵有限公司，浙江 寧波 315800；2.同濟大學(xué)，上海 200092）

1 萬向聯(lián)軸器扭矩實測

立輥軋制時，傳動機構(gòu)承受復(fù)雜應(yīng)力，產(chǎn)生相應(yīng)應(yīng)變，通過測量軋制時傳動機構(gòu)的應(yīng)變，建立應(yīng)力與應(yīng)變對應(yīng)關(guān)系，測出軋機工作狀態(tài)下實際應(yīng)力變化，得到立輥軋機實際工作時的扭矩。本次實測選定鋼種規(guī)格如表1所示，減寬量均為50mm。

表1 實驗鋼種規(guī)格表 mm

經(jīng)實測，最大扭矩出現(xiàn)在Q345B軋制過程中，如表2所示。

表2 實測扭矩表 N·m

2 有限元分析

本計算利用ProE軟件進(jìn)行三維實體模型的建立，然后將實體模型導(dǎo)入 Ansys Workbench軟件中進(jìn)行有限元仿真［1］。

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，能與ProE軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。

ANSYS主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。可進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析、結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、熱分析、流體動力學(xué)分析、聲場分析等。

本節(jié)應(yīng)用ANSYS結(jié)構(gòu)靜力分析，通過劃分網(wǎng)格，施加約束及載荷，生成應(yīng)力云圖，得出最大應(yīng)力及發(fā)生位置。

2.1 定義單元類型

經(jīng)簡化后的叉頭模型并不復(fù)雜，這里確定單元類型定義為solid45足夠。

2.2 定義材料屬性

根據(jù)圖紙資料，700法蘭叉頭與1 000法蘭叉頭材料均為ZG35CrMo，十字軸材料為34CrNi3Mo，表3是這兩種材料的機械特性。

表3 材料機械特性

2.3 創(chuàng)建模型

為得到萬向聯(lián)軸器軸裝叉頭精確的計算結(jié)果，則必須精確地確定其承受的載荷。所以，分析時必須精確模擬聯(lián)軸器各部分之間力的傳遞，在建立有限元模型必須采用聯(lián)軸器的整體結(jié)構(gòu)。下頁圖1為分析模型，導(dǎo)入ANSYS軟件后進(jìn)行加載求解［2］。

圖1 實體模型

2.4 網(wǎng)格劃分

使用三維實體SOLID45單元對實體模型進(jìn)行單元劃分，根據(jù)圖紙資料，模型采取三維實體單元，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。將本次需計算的最大扭矩1 200kN·m施加在1 000法蘭側(cè)，將邊界約束施加在700法蘭側(cè)。

圖2 有限元模型

3 加載及求解

1）加載。實測最大轉(zhuǎn)矩Tmax＝900kN·m，考慮到本次實驗不是最大減寬能力下的數(shù)據(jù)，取轉(zhuǎn)矩1 200kN·m進(jìn)行求解計算

2）求解。取傳遞轉(zhuǎn)矩為1 200kN·m進(jìn)行計算，得到叉頭的應(yīng)力分布和變形情況。

4 結(jié)果與分析（后處理）

1）傳遞轉(zhuǎn)矩為1 200kN·m時的計算結(jié)果。觀察聯(lián)軸器實際破壞情況，屬于應(yīng)力集中引發(fā)的瞬時斷裂，斷口具有脆性斷裂特征。根據(jù)強度理論，對于此類破壞，應(yīng)用第一強度理論（最大拉應(yīng)力理論）計算強度是適宜的。為此，提取了仿真結(jié)果中最大拉應(yīng)力云圖。圖3是700法蘭叉頭最大主應(yīng)力云圖，圖4是1000法蘭叉頭最大主應(yīng)力云圖。

圖3 700法蘭叉頭最大主應(yīng)力云圖

圖4 1000法蘭叉頭最大主應(yīng)力云圖

由仿真得出的應(yīng)力云圖可知，最大拉應(yīng)力均發(fā)生在零件截面過渡處的應(yīng)力集中區(qū)域。其中，兩個叉頭法蘭的應(yīng)力集中位置與最大拉應(yīng)力比較接近，并且與實際破壞位置吻合，說明仿真結(jié)果可信。

2）根據(jù)圖紙資料，700法蘭叉頭與1 000法蘭叉頭材料均為ZG35CrMo，表3是這兩種材料的機械特性。對于法蘭叉頭，取強度極限為800MPa，考慮到載荷的沖擊性質(zhì)，取安全系數(shù)n＝2，則許用應(yīng)力：［σ］＝800／2＝400MPa，在傳動軸扭矩達(dá)到1 200kN·m時，叉頭已超過許用應(yīng)力。根據(jù)載荷與應(yīng)力之間的線性關(guān)系，對于700法蘭叉頭，當(dāng)扭矩達(dá)到900kN·m時，最大拉應(yīng)力達(dá)到320MPa，即80%許用應(yīng)力；當(dāng)扭矩達(dá)到1 000kN·m時，最大拉應(yīng)力達(dá)到360MPa，即90%許用應(yīng)力。

5 結(jié)語

實測工況下，法蘭叉頭與十字軸最大拉應(yīng)力達(dá)到80%許用應(yīng)力，沒有達(dá)到斷裂的強度極限。十字軸的安全裕量最低，其材質(zhì)的機械性能與標(biāo)準(zhǔn)要求相差較大。建議E1載荷警戒值為扭矩1 000kN·m。減寬量控制在50mm以內(nèi)。

［1］ 劉鶯，李友榮，劉安中.軋機十字軸式萬向聯(lián)軸器的有限元分析［J］.重型機械，2007（4）：49－51.

［2］ 邢預(yù)恩.基于ANSYS的萬向聯(lián)軸器叉頭強度分析［J］.制造業(yè)自動化，2012（3）：109－110.