脈沖負載下高彈聯(lián)軸器瞬態(tài)特性分析

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(海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院,武漢 430033)

隨著人們對脈沖柴油機發(fā)電機組運行的安全性、可靠性的要求越來越高，越來越多的機組選用高彈聯(lián)軸器以減小機組的振動與噪聲。高彈聯(lián)軸器的功用是：用于聯(lián)接柴油機和發(fā)電機；傳遞柴油機轉(zhuǎn)矩；承受瞬時沖擊轉(zhuǎn)矩并補償相對位移，避免發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動的共振現(xiàn)象。本文以應(yīng)用于脈沖柴油機發(fā)電機組中的高彈聯(lián)軸器為研究對象，通過有限元方法仿真分析該高彈聯(lián)軸器的動態(tài)特性并校核該高彈聯(lián)軸器在機組工作中的軸向位移、徑向位移及扭轉(zhuǎn)角度，為消磁艦船動力裝置、消磁電站發(fā)電機組等場合下的彈性聯(lián)軸器的選型設(shè)計提供參考[1-2]。

1 高彈聯(lián)軸器有限元建模

脈沖柴油機發(fā)電機組中的高彈聯(lián)軸器主要由扭轉(zhuǎn)彈性部件(橡膠塊)、膜片部件、聯(lián)接件及扭轉(zhuǎn)限位裝置(內(nèi)、外限位盤)組成，見圖1。由于該聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在采用三維網(wǎng)格進行有限元分析之前，必須要建立精確適用的三維實體模型，特別是扭轉(zhuǎn)彈性部件、膜片部件及扭轉(zhuǎn)限位裝置。因此，對有限元網(wǎng)格的劃分要在保證精度的條件下，根據(jù)三維模型做出適合的網(wǎng)格和選用合適的單元[3-5]。

針對圖1所示的高彈聯(lián)軸器，在CATIA中對聯(lián)軸器進行實體建模，見圖2a)，對其細節(jié)部分如

圖1 高彈聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)

法蘭孔、螺栓孔以及工藝倒邊倒角等對高彈聯(lián)軸器特性分析影響不大的特征需進行簡化處理，以保證有限元網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和計算的效率。通過CATIA中歷史樹功能，回溯整個建模過程，并在相對應(yīng)的操作步驟中進行回溯操作，修改某些特征。經(jīng)特征抑制后的模型見圖2b)。從圖中可看出聯(lián)軸器的法蘭孔和螺栓孔以及除橡膠塊以外的倒邊等特征都已抑制掉。

圖2 高彈聯(lián)軸器三維模型

將已建立的高彈聯(lián)軸器三維實體模型導(dǎo)入Hyper Mesh中，利用Hyper Mesh經(jīng)過簡單的分區(qū)切割，生成可以進行網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)和掃掠的實體區(qū)塊，通過Hyper Mesh的3D網(wǎng)格劃分功能，掃掠、拉伸、旋轉(zhuǎn)成為三維有限元網(wǎng)格，高彈聯(lián)軸器的有限元模型見圖3，橡膠塊的有限元模型見圖4。在處理螺栓連接時，采用共節(jié)點的形式，即在螺栓連接處的兩個面使重合的兩個節(jié)點合并成一個，對于橡膠塊與斜直法蘭相粘合，由于兩者材料不同，在劃分網(wǎng)格時，為了使其節(jié)點一一對應(yīng)重合，也采用共節(jié)點形式來模擬粘合的情況，這種在Hyper Mesh中采用的連接形式在導(dǎo)入ANSYS以后也能存在，避免了在ANSYS中還要對各種連接進行處理。

圖3 高彈聯(lián)軸器有限元模型

圖4 橡膠塊有限元模型

在Hyper Mesh中進行網(wǎng)格劃分后通過加載ANSYS模板導(dǎo)出ANSYS中間文件(*.cdb)，然后在ANSYS中導(dǎo)入中間文件形成ANSYS數(shù)據(jù)庫文件進行分析解算。在ANSYS中進行模型的單元、材料參數(shù)定義：橡膠采用兩參數(shù)Mooey-Rivlin模型，單元為HYPE58，密度為1 000 kg/m3，泊松比為0.499 7；鋼采用單元為SOLID185，密度為7 800 kg/m3，彈性模量為209 GPa，泊松比為0.3。

2 高彈聯(lián)軸器非線性瞬態(tài)響應(yīng)

2.1 非線性瞬態(tài)響應(yīng)方程

瞬態(tài)響應(yīng)動力分析是用于確定承受任意的隨時間變化載荷結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)的一種方法。用于瞬態(tài)動力學(xué)分析確定結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下的隨時間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力及力[6-7]。瞬態(tài)響應(yīng)動力分析基本方程為

式中：M——質(zhì)量矩陣；

R——阻尼矩陣；

K——剛度矩陣；

u——節(jié)點位移向量；

F(t)——隨時間變化的載荷向量。

2.2 非線性瞬態(tài)響應(yīng)問題的加載及求解

對于瞬態(tài)動力學(xué)分析ANSYS提供了三種方法：完全(full)法、縮減法(reduced)及模態(tài)疊加法。由于所研究的高彈聯(lián)軸器含有橡膠塊，存在非線性特征，故本文采用完全法，并采用牛頓-拉普森平衡迭代方法求解系統(tǒng)的非線性響應(yīng)問題。完全法易使用，采用完整的系統(tǒng)矩陣計算瞬態(tài)響應(yīng)，沒有矩陣縮減，在三種方法中功能最強，能夠處理各類非線性特性問題，如塑性、大變形、大應(yīng)變等；通過一次分析能得到所有位移和應(yīng)力，允許施加所有類型的載荷，如節(jié)點力、外加的非零位移和單元載荷(壓力和溫度)，還可以通過TABLE數(shù)組參數(shù)指定表邊界條件，允許在實體模型上施加載荷等[8-10]。在ANSYS中，載荷包括邊界條件和激勵。根據(jù)本文實際，由于主要考慮柴油機變動轉(zhuǎn)矩和脈沖負載對高彈聯(lián)軸器的影響，施加的位移邊界條件和負載見圖5。

圖5 高彈聯(lián)軸器加載

3 實例研究

針對某脈沖柴油機發(fā)電機組的負載特性，見圖6，用ANSYS軟件對圖1所示高彈聯(lián)軸器進行非線性瞬態(tài)分析，得到該高彈聯(lián)軸器在柴油機變動轉(zhuǎn)矩和脈沖負載下的位移、應(yīng)變和應(yīng)力，見圖7～9。

分析上述仿真計算結(jié)果，可得到如下結(jié)論。

1)由軸向位移圖7可知，高彈聯(lián)軸器在第一個脈沖負載下，即最大的脈沖負載下，軸向位移達到最大值：最大負位移發(fā)生在橡膠塊的兩端，主要是因為橡膠塊彈性較大，易發(fā)生變形；軸向最大正

圖6 機組的負載示意

圖7 高彈聯(lián)軸器軸向位移

圖8 高彈聯(lián)軸器周向位移

圖9 高彈聯(lián)軸器徑向位移

位移主要出現(xiàn)在橡膠塊上與最大負位移相反的方向以及出現(xiàn)在聯(lián)軸器斜法蘭端。其中聯(lián)軸器法蘭端的軸向位移為10.59 mm，另一端的軸向位移為0.92 mm。兩者之差即為聯(lián)軸器的最大軸向位移，即9.67 mm，可見在第一個脈沖負載下，最大軸向位移較大。因此，產(chǎn)生的軸向推力不可忽視。

3)由圖9可知，高彈聯(lián)軸器在最大脈沖負載

下，最大徑向位移也出現(xiàn)在橡膠塊上即橡膠塊的兩端，為-8.126 mm。從圖9中還可得知，在聯(lián)軸器中主動端和從動端的位移差為|-6.462-0.197|=6.659 mm即為聯(lián)軸器的徑向位移，已接近該聯(lián)軸器的最大許用徑向位移。

4 結(jié)論

以往的文獻是通過建立雙質(zhì)量系統(tǒng)或集中質(zhì)量當(dāng)量系統(tǒng)來校核高彈聯(lián)軸器的扭振應(yīng)力和振幅， 但是高彈聯(lián)軸器在扭轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的軸向位移和徑向位移無法校核。本文利用CATIA建立高彈聯(lián)軸器的精確三維模型，利用Hyper Mesh對模型進行有限元網(wǎng)格劃分，再導(dǎo)入到ANSYS中進行分析，得出高彈性橡膠聯(lián)軸器在脈沖負載扭矩和柴油機的輸出扭矩同時作用下的位移響應(yīng)情況， 研究結(jié)果表明：應(yīng)用于脈沖柴油機發(fā)電機組的高彈聯(lián)軸器在脈沖負載作用下，徑向位移和軸向位移都比較大，長期工作將對軸系軸承正常工作不利，在設(shè)計時應(yīng)對所產(chǎn)生的軸向力進行校核計算。

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