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        基于ANSYS聯(lián)軸節(jié)的有限元分析

        2014-11-22 02:11:28屈彩虹張兵張磊
        機(jī)械工程師 2014年3期
        關(guān)鍵詞:有限元模型

        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(jì)寧市國土資源局任城分局,山東 濟(jì)寧 272000)

        0 引言

        聯(lián)軸器是用來聯(lián)接不同機(jī)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(jī)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(jī)械產(chǎn)品軸系傳動最常用的聯(lián)接部件。動力機(jī)一般都借助于聯(lián)軸器與工作機(jī)相聯(lián)接,機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時兩軸不能分離,只有機(jī)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(jī)械傳動系統(tǒng)的振動,降低沖擊尖峰載荷.加強(qiáng)對聯(lián)軸節(jié)力學(xué)性能的了解,,對提高煤礦機(jī)電設(shè)備的安全可靠性,設(shè)備可用率,降低設(shè)備強(qiáng)迫停運(yùn)幾率,減少維修費(fèi)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(jìn)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(jìn)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(yùn)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(qiáng)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(dá)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(shí)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(diǎn)的形式,將扭矩施加于MPC 點(diǎn)。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(qiáng)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(diǎn)與端部各點(diǎn)建立剛性梁,施加扭矩時端部各點(diǎn)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(qiáng)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(jī)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(yàn)檢疫總局.GB 150-2011,壓力容器[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

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