大撓度彈性聯(lián)軸器試驗(yàn)臺(tái)機(jī)座的靜態(tài)應(yīng)力分析

張進(jìn)春， 龔憲生，岳秋琴，謝光輝

（1. 重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331； 2. 重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044）

大撓度彈性聯(lián)軸器試驗(yàn)臺(tái)機(jī)座的靜態(tài)應(yīng)力分析

張進(jìn)春1,2， 龔憲生2，岳秋琴1，謝光輝1

（1. 重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331； 2. 重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044）

0 引 言

彈性聯(lián)軸器在工程中有著廣泛的應(yīng)用。它的突出性能——緩沖和減振對(duì)機(jī)械系統(tǒng)有著至關(guān)的重要性，傳遞功率、調(diào)整系統(tǒng)固有頻率和補(bǔ)償兩軸的不對(duì)中。當(dāng)使用在發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的裝置中時(shí)，具有緩沖、減振的功能，并能根據(jù)不同的軸系配置，采用不同特性參數(shù)的聯(lián)軸器，使之達(dá)到最佳的減振降噪效果。

為了能夠準(zhǔn)確地對(duì)傳動(dòng)軸系進(jìn)行扭轉(zhuǎn)振動(dòng)分析，并在實(shí)際傳動(dòng)系統(tǒng)中選擇正確的彈性聯(lián)軸器，其關(guān)鍵之一就是必須掌握彈性聯(lián)軸器的有關(guān)特性參數(shù)，主要包括動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度和動(dòng)態(tài)阻尼系數(shù)。在通常情況下獲取彈性聯(lián)軸器動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的有效途徑是在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)分析得出。試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)座是試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵部件，它的承載能力決定著試驗(yàn)臺(tái)的最大試驗(yàn)范圍及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度，為了確保其可靠性，必須對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析。本文給出應(yīng)用SolidWorks 中的插件COSMOSWorks對(duì)大撓度彈性聯(lián)軸器試驗(yàn)臺(tái)機(jī)座進(jìn)行靜態(tài)受力分析的方法及結(jié)果。

1 采用SolidWorks進(jìn)行三維建模及零件的狀態(tài)描述

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案及設(shè)備所要求的參數(shù)。在三維CAD軟件SolidWorks平臺(tái)下進(jìn)行建模。材料為鑄造碳鋼。其三維立體圖見圖1。

試驗(yàn)臺(tái)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求：

1）振動(dòng)頻率5-20hz

2）振幅:±20°

3）最大轉(zhuǎn)矩（平動(dòng)+變動(dòng)）：30knm

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，通過軸承軸承座將承受40T的軸向力，花鍵槽將承受30KN.M的扭矩。

2 靜態(tài)應(yīng)力分析

1）在SolidWorks環(huán)境下啟動(dòng)COSMOSWorks。

2）創(chuàng)建算例并指定研究類型為靜態(tài)。

3）設(shè)定零件材料。設(shè)定材料屬性為鑄造碳鋼，其各項(xiàng)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 材料性能

4）施加約束與載荷（如圖1所示）

在工作過程中，機(jī)座是通過底座上的四個(gè)螺栓孔進(jìn)行固定的，故在底座的四個(gè)螺栓孔上添加固定制約；機(jī)座軸承肩最大將承受40T的壓力，通過SolidWorks的分析功能得到軸肩的面積，計(jì)算得到軸肩的受力為3.67e7 N/m2，考慮到使用中的實(shí)際情況及可能的安裝誤差造成的受力情況改變，故在此施加4.0e7 N/m2的壓力以應(yīng)對(duì)突發(fā)性的過載情況；在花鍵槽的四個(gè)槽上均勻分布力矩30KN.m。

圖1 約束與載荷

5）網(wǎng)格劃分

采用高品質(zhì)實(shí)體單元類型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置好參數(shù)后選擇確定，系統(tǒng)開始自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分（如圖2所示）, 單元數(shù)目為15620，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為26225。

圖2 網(wǎng)格劃分

6）網(wǎng)格劃分好后采用FFE解算器進(jìn)行解算。

3 結(jié)果分析

3.1 位移分析

通過圖3可以看出在軸承座的頂端最大位移有7.053e-4m，但通過圖4可看出其變形方向朝向花鍵槽方向，對(duì)輸出結(jié)果沒多大影響，可以不考慮。重點(diǎn)考慮花鍵部分的位移，最大位移量5.290e-4m，此處直徑330mm，產(chǎn)生的角度位移為：

不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生大的影響。故從變形位移的角度考慮，機(jī)座是滿足設(shè)計(jì)要求的。

3.2 應(yīng)力、安全系數(shù)分析

圖3 位移圖解

圖4 變形圖解

通過圖5可以看出在底座的螺栓孔邊緣產(chǎn)生最大應(yīng)力4.95e+008 N/m2，而材料的屈服強(qiáng)度為2.2059e+008 N/m2，故在此會(huì)產(chǎn)生塑形變形。通過圖6的安全系數(shù)分析看出最小安全系數(shù)5.012e-1。故從應(yīng)力及安全系數(shù)方面考慮，機(jī)座存在一定問題，要通過措施解決來減小應(yīng)力、提高安全系數(shù)。

圖5 應(yīng)力圖解

圖6 安全系數(shù)圖解

3.3 解決措施

我們將底座孔的數(shù)量增加兩個(gè)，底座加厚30mm，螺栓孔尺寸從25mm增加到28mm，再進(jìn)行分析，得到如圖7所示應(yīng)力圖和圖8所示安全系數(shù)圖。由圖中可以看出最大應(yīng)力減小為1.896e+008 N/m2，小于材料屈服強(qiáng)度；最小安全系數(shù)1.309，符合安全條件，解決措施有效。

圖7 應(yīng)力圖解

圖8 安全系數(shù)圖解

4 結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)也越來越多地采用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)。本文以大撓度彈性聯(lián)軸器試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)座為研究對(duì)象，利用SolidWorks的COSMOSworks模塊對(duì)其靜態(tài)應(yīng)力進(jìn)行有限元分析，校核其機(jī)座強(qiáng)度，并給出減小應(yīng)力、提高安全系數(shù)的有效措施，以提高機(jī)座的可靠性，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的指導(dǎo)。實(shí)踐證明，該方法較其他有限元軟件簡(jiǎn)單實(shí)用，大大提高工作效率。

[1]SOLIDWorks機(jī)械設(shè)計(jì)院.SOLIDWorks 2007高級(jí)設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[2]SOLIDWorks公司.COSMOS基礎(chǔ)教程:SOLIDWorks Professional[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[3]謝黎明,李大明,沈浩,等.基于COSMOSWorks的現(xiàn)場(chǎng)銑床結(jié)構(gòu)分析[J].機(jī)械與電子,2008,(9):20-22.

[4]裴均曄.基于COSMOSWorks下的靜態(tài)應(yīng)力分析[J].機(jī)械管理開發(fā).2008,(8):168-169.

Analysis of static stress based on highly flexible shaft coupling test bench

ZHANG Jin-chun1,2, GONG Xian-sheng2, YUE Qiu-qin1, XIE Guang-hui1

彈性聯(lián)軸器試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)座是試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵部件，它的承載能力決定著試驗(yàn)臺(tái)的最大試驗(yàn)范圍及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度，為了確保其可靠性，必須對(duì)其靜態(tài)應(yīng)力進(jìn)行分析。本文以大撓度彈性聯(lián)軸器試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)座為研究對(duì)象，應(yīng)用SolidWorks中的插件COSMOSWorks 對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析，校核機(jī)座強(qiáng)度，并給出減小應(yīng)力、提高安全系數(shù)的有效措施，以提高機(jī)座的可靠性。實(shí)踐證明，該方法較其他有限元軟件簡(jiǎn)單實(shí)用，大大提高工作效率。

彈性聯(lián)軸器；試驗(yàn)臺(tái)機(jī)座；靜態(tài)應(yīng)力；SolidWorks；COSMOSWorks

張進(jìn)春（1971－），男，四川人，副教授，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、CAD/CAM/CAE等領(lǐng)域的教學(xué)及研究工作。

TP391

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1009-0134(2010)06-0142-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.06.47

2010-01-27