盧永文 楊 林 賀 博 楊 堯 鄧俊杰 張萌思

(中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108

0 引言

膜片聯(lián)軸器是一種通過膜片彈性變形實現(xiàn)軸向和角向補償功能的兩軸聯(lián)接裝置，具有傳動效率高、結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便、不需要潤滑等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空、船舶、風電、石油化工、造紙印刷、機械制造等領(lǐng)域[1-3]。在船舶領(lǐng)域，膜片聯(lián)軸器特別適合用于高速快艇軸系[1]，但受海洋環(huán)境影響，傳統(tǒng)膜片聯(lián)軸器的金屬膜片易產(chǎn)生銹蝕斷裂，縮短了其使用周期，增加了使用成本，同時金屬膜片的補償能力有限，在對中不良時易發(fā)生疲勞斷裂失效[4-5]。而復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強、耐疲勞性好、破損安全性好、耐化學(xué)腐蝕等諸多優(yōu)點[6]，采用碳纖維復(fù)合材料膜片代替金屬膜片制造的復(fù)合材料膜片聯(lián)軸器，不僅能夠減輕聯(lián)軸器重量，提高軸向和角向補償能力，還具有耐腐蝕、無磁性、疲勞性能好、壽命長、維護方便等優(yōu)點。

復(fù)合材料與金屬材料的重要區(qū)別在于其各向異性，由此提高了復(fù)合材料膜片的結(jié)構(gòu)設(shè)計難度、仿真分析難度和成型制造難度，是復(fù)合材料膜片聯(lián)軸器研制的一大挑戰(zhàn)。國內(nèi)復(fù)合材料膜片聯(lián)軸器的開發(fā)應(yīng)用相對落后，僅有少量理論研究[7-8]。本文針對某船開展了復(fù)合材料膜片聯(lián)軸器的研制工作，包括材料選擇、仿真設(shè)計、成型工藝、試驗驗證等。

1 設(shè)計分析

1.1 設(shè)計參數(shù)

該船動力傳動系統(tǒng)擬采用OI型復(fù)合材料膜片聯(lián)軸器(以下簡稱“OI聯(lián)軸器”)連接相鄰復(fù)合材料傳動軸。其中OI聯(lián)軸器的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 OI聯(lián)軸器設(shè)計參數(shù)

1.2 原材料

碳纖維復(fù)合材料相比一般纖維復(fù)合材料，強度更高、質(zhì)量更輕，更適合于在動力系統(tǒng)中應(yīng)用。該復(fù)合材料膜片聯(lián)軸器采用碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制備。復(fù)合材料增強體為表面改性的T700碳纖維；樹脂體系為針對船用條件開發(fā)的環(huán)氧樹脂固化體系。該復(fù)合材料性能測試結(jié)果如表2所示。根據(jù)下表，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度滿足機艙使用溫度；其密度遠小于金屬，可有效減重；其它力學(xué)性能可用于設(shè)計計算和仿真分析。

表2 復(fù)合材料性能數(shù)據(jù)

1.3 強度準則

對于復(fù)合材料的失效，主要有應(yīng)力準則和應(yīng)變準則。目前，最典型的應(yīng)力準則為蔡-吳(Tsai-Wu)失效準則[9]，其公式為：

其中：

I12為相互影響系數(shù)，其取值范圍為(-1,1)，計算過程中取I12=-0.5。FI(Failure Index)為蔡-吳失效系數(shù)，當其值大于等于1時表示該處材料發(fā)生失效。

2 仿真分析

2.1 建立有限元模型

目前業(yè)內(nèi)通常使用通用有限元分析軟件進行復(fù)合材料產(chǎn)品仿真分析來輔助設(shè)計[10]，如ANSYS、ABAQUS、NASTRAN等，可減少試驗量，提高工作效率。本文采用ABAQUS對OI聯(lián)軸器進行建模分析，其最大外徑為400 mm，內(nèi)徑240 mm，有限元模型采用單元S4R，節(jié)點數(shù)為30 552，單元數(shù)為27 936，如圖1所示。

圖1 OI聯(lián)軸器有限元模型

2.2 靜態(tài)扭轉(zhuǎn)分析

在圖1模型的基礎(chǔ)上對OI聯(lián)軸器進行靜態(tài)扭轉(zhuǎn)分析，可以得到相應(yīng)轉(zhuǎn)矩下的變形情況，并與試驗結(jié)果進行對比，同時可以使用蔡-吳失效準則對其是否失效進行判定。如圖2所示，在40 kN·m轉(zhuǎn)矩作用下，OI聯(lián)軸器的最大蔡-吳失效系數(shù)為0.416，小于1，由蔡-吳失效準則可知OI聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)是安全的，滿足該船的工況要求。經(jīng)過計算膜片聯(lián)軸器在61 kN·m轉(zhuǎn)矩下最大蔡-吳失效系數(shù)為1.062，大于1，OI聯(lián)軸器失效，即OI聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)失效強度約為61 kN·m。

圖2 扭轉(zhuǎn)載荷下蔡-吳失效系數(shù)云圖

2.2 軸向位移補償分析

在轉(zhuǎn)矩20 kN·m、轉(zhuǎn)速2 920 r/min、軸向位移2.5 mm及軸系垂直于軸向的5g加速度過載條件下，OI聯(lián)軸器的最大蔡-吳失效系數(shù)為0.460，小于1，如圖3所示，由蔡-吳失效準則可知該結(jié)構(gòu)是安全的，軸向補償性能滿足設(shè)計要求。

圖3 軸向載荷下蔡-吳失效系數(shù)云圖

2.4 角向位移補償分析

在轉(zhuǎn)矩20 kN·m、轉(zhuǎn)速2 920 r/min、角向位移0.5°及軸系垂直于軸向的5g加速度過載條件下，OI聯(lián)軸器的最大蔡-吳失效系數(shù)為0.370，小于1，如圖4所示，由蔡-吳失效準則可知該結(jié)構(gòu)是安全的，角向補償性能滿足設(shè)計要求。

圖4 角向載荷下蔡-吳失效系數(shù)云圖

3 成型工藝

復(fù)合材料膜片可以采用模壓成型、RTM成型、熱壓罐成型等多種工藝。綜合對比各種成型工藝，熱壓罐成型工藝壓力、溫度均勻，成型件力學(xué)性能好、成型質(zhì)量控制精度高、成型穩(wěn)定性好，適合要求較高的主、次承力結(jié)構(gòu)件的成型[11]。本聯(lián)軸器的復(fù)合材料膜片采用熱壓罐工藝成型，經(jīng)鋪放、封裝、固化、脫模、機加工制備而成，復(fù)合材料膜片通過裝配組合成為OI聯(lián)軸器，如圖5所示。

圖5 OI聯(lián)軸器照片

4 試驗驗證

對制備的OI聯(lián)軸器進行靜態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗，測試其靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度Cj和破壞轉(zhuǎn)矩T破壞，驗證OI聯(lián)軸器強度是否滿足設(shè)計要求。圖6為OI聯(lián)軸器進行靜態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗的照片。試驗得到OI聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)剛度曲線如圖7所示。在1.5倍額定轉(zhuǎn)矩內(nèi)，該曲線近乎為直線，未見剛度突變，重復(fù)試驗得到的扭轉(zhuǎn)剛度曲線基本一致，在整個試驗中未見到任何破壞和異常情況。繼續(xù)逐漸增大轉(zhuǎn)矩進行扭轉(zhuǎn)破壞試驗，曲線如圖8所示，OI聯(lián)軸器在轉(zhuǎn)矩達到65kN·m時發(fā)生破壞，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，說明本文對OI聯(lián)軸器的設(shè)計方法及流程滿足了設(shè)計要求，仿真分析預(yù)測值有較高的準確性。

圖6 OI聯(lián)軸器靜態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗照片

圖7 OI聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)剛度曲線

圖8 OI聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)破壞試驗曲線

5 結(jié)論

通過對該船用OI型復(fù)合材料膜片聯(lián)軸器的研制，形成了整套船用復(fù)合材料膜片聯(lián)軸器的設(shè)計流程及試驗方法。使用ABAQUS對船用復(fù)合材料膜片聯(lián)軸器進行仿真設(shè)計分析，經(jīng)過試驗驗證，其誤差較小，具有較高的準確性。使用碳纖維環(huán)氧預(yù)浸料通過熱壓罐成型工藝成功制備了復(fù)合材料膜片聯(lián)軸器，其扭轉(zhuǎn)剛度具有較好的線性，能夠滿足船用復(fù)合材料膜片聯(lián)軸器的使用要求。

6 展望

在面臨輕量化和節(jié)能減排的船舶制造業(yè)[12]，尤其是高新技術(shù)船舶領(lǐng)域，使用復(fù)合材料聯(lián)軸器的優(yōu)勢顯而易見。復(fù)合材料聯(lián)軸器的應(yīng)用不但可以提高船舶動力系統(tǒng)的功率密度和能源利用率，還可以優(yōu)化軸系布置減少維護成本。然而復(fù)合材料聯(lián)軸器在船舶上的廣泛使用仍需解決很多技術(shù)難點，如阻燃性、耐環(huán)境性等。改進并完善船用復(fù)合材料聯(lián)軸器技術(shù)，推動其在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用，將是一個長期的過程。本文的研制結(jié)果為復(fù)合材料膜片聯(lián)軸器在船舶領(lǐng)域的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。