基于接觸理論的法蘭式液壓聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)強度分析

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(1.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064;2.華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430074)

船用液壓聯(lián)軸器具有結(jié)構(gòu)簡單、加工便利、裝拆方便等優(yōu)點，可避免因采用鍵槽而對零件強度產(chǎn)生的削弱，且傳遞轉(zhuǎn)矩大、對中性好，目前在造船工業(yè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。相對于西方國家，我國對液壓聯(lián)軸器技術(shù)的研究開始較晚。已開展的液壓聯(lián)軸器強度計算研究也以理論公式計算居多。隨著艦船軸系機械加工精度和性能要求的提高，在設(shè)計階段就需要獲得液壓聯(lián)軸器各種工作參數(shù)，以指導(dǎo)設(shè)計[2-3]。

1 液壓聯(lián)軸器工作原理

常用的液壓聯(lián)軸器一般分為套筒式和法蘭式，兩者工作原理相同。液壓聯(lián)軸器核心部件都由兩個鋼制套管組成，一個較厚的外套和一個較薄的內(nèi)套，見圖1。內(nèi)套外表面和外套內(nèi)表面沿軸向具有相同的錐度。

圖1 液壓聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)組成

液壓聯(lián)軸器安裝時利用徑向油壓，使外套和內(nèi)套均產(chǎn)生彈性變形(外套擴大，內(nèi)套收縮)。在軸向油壓推動下，外套逐漸向錐面大端移動。當外套到達設(shè)計位置后，釋放徑向油壓，因接觸面間的幾何過盈配合致使外套、內(nèi)套和傳動軸三者相互抱緊。工作時依靠過盈配合面間的摩擦力傳遞傳動軸的轉(zhuǎn)矩。

2 接觸基礎(chǔ)理論

接觸分析屬于強幾何非線性問題，在計算過程中會發(fā)生大量迭代。大多數(shù)接觸問題需要考慮摩擦，而摩擦使接觸問題的收斂性變得更加困難。一般接觸問題的求解是一個反復(fù)迭代的過程。首先，需要假定一種可能的接觸狀態(tài)，然后帶入定解條件，得到接觸點的接觸應(yīng)力和應(yīng)變，判斷是否滿足接觸條件。如果不滿足接觸條件，修改接觸點的狀態(tài)重新計算，直到所有接觸點滿足接觸條件為止。計算流程見圖2。

圖2 接觸計算流程

根據(jù)液壓聯(lián)軸器工作原理可知，液壓聯(lián)軸器工作狀態(tài)下存在多個面同時發(fā)生接觸的現(xiàn)象。因此，需采取合理的建模方法使接觸面間的接觸關(guān)系較快地建立起來，以保證計算的收斂性。具體方法包括：在建立接觸過程中施加臨時邊界條件；施加微小位移使接觸關(guān)系平緩建立；分步建立接觸關(guān)系等。

3 數(shù)值建模

3.1 幾何建模

以某型船用法蘭式液壓聯(lián)軸器為分析對象，對其結(jié)構(gòu)強度進行研究。法蘭式液壓聯(lián)軸器幾何結(jié)構(gòu)具有軸對稱特性，見圖3。

圖3 法蘭式液壓聯(lián)軸器幾何結(jié)構(gòu)示意

為了提高計算精度，降低計算成本，采用軸對稱模型進行數(shù)值模擬。液壓聯(lián)軸器及傳動軸二維軸對稱幾何模型見圖4。

圖4 液壓聯(lián)軸器裝配體

由于采用軸對稱單元，節(jié)約了計算成本，建模時可以把聯(lián)軸器所有細節(jié)特征都精確建出，如聯(lián)軸器內(nèi)、外套上的螺旋油槽、圓角等。

3.2 網(wǎng)格劃分

將法蘭式液壓聯(lián)軸器外套、內(nèi)套及傳動軸二維幾何模型單獨進行有限元網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格單元采用CGAX4二維軸對稱四邊形單元。網(wǎng)格劃分好后，再根據(jù)液壓聯(lián)軸器各部件之間的裝配關(guān)系，將外套、內(nèi)套及傳動軸網(wǎng)格進行裝配。最終獲得液壓聯(lián)軸器裝配體二維有限元模型。整個計算模型單元數(shù)為48 268，節(jié)點數(shù)為49 670，見圖5。

圖5 液壓聯(lián)軸器二維有限元模型

3.3 邊界條件

對液壓聯(lián)軸器裝配過程及最大負載工況下的結(jié)構(gòu)強度進行校核。因此，根據(jù)分析工況的不同，需定義不同的邊界條件。

1)裝配過程。裝配過程初始時刻，內(nèi)外套剛剛發(fā)生接觸。約束軸和內(nèi)套的軸向位移，外套內(nèi)表面與內(nèi)套外表面之間、內(nèi)套內(nèi)表面與軸之間定義接觸關(guān)系。在外套法蘭端面施加移動邊界，使其向內(nèi)套大端移動到設(shè)計位置，共移動35 mm。為了使接觸平緩建立，每個分析步外套只移動1 mm。

在安裝過程中，內(nèi)外套承受使內(nèi)套收縮外套擴張的110 MPa徑向油壓和使外套發(fā)生軸向位移的20 MPa軸向油壓。在安裝過程中這些油壓以均布壓力作用在內(nèi)外套的表面。

2)最大負載工況。該液壓聯(lián)軸器最大負載工況下，同時承受扭矩和軸向推力。計算模型中在外套與內(nèi)套接觸面、內(nèi)套與傳動軸接觸表面之間定義過盈配合關(guān)系。轉(zhuǎn)矩采用建立參考點的方法施加在軸端，軸向推力根據(jù)軸端面積等效為壓強作用在端面，且施加扭矩時固定外套法蘭面。

4 材料屬性及計算工況

液壓聯(lián)軸器各部件及傳動軸材料屬性見表1，裝配過程中的載荷為徑向油壓105 MPa，軸向油壓20 MPa。最大負載工況下軸系所傳遞的轉(zhuǎn)矩值為1 800 kN·m，軸向推力為700 kN。

表1 材料屬性

5 計算結(jié)果分析

5.1 裝配過程

液壓聯(lián)軸器裝配過程分析結(jié)果，見圖6、7。

圖6 液壓聯(lián)軸器裝配過程動態(tài)應(yīng)力分析

圖7 裝配完成時外套內(nèi)壁接觸壓強

由圖6可知，該液壓聯(lián)軸器在外套內(nèi)孔法蘭端尖角處出現(xiàn)應(yīng)力集中(只有局部幾個單元應(yīng)力激增)，其余部位都達到了GJB3271—98的要求，即液壓聯(lián)軸器最大過盈時內(nèi)外套的綜合應(yīng)力不超過材料屈服極限的70%。

由圖7可見，外套與內(nèi)套接觸時大部分區(qū)域壓強在100 MPa附近浮動，而兩端由于應(yīng)力集中的影響造成壓強驟升。由于液壓聯(lián)軸器是通過外套內(nèi)表面與內(nèi)套外表面、內(nèi)套內(nèi)表面與軸外表面之間的摩擦來傳遞轉(zhuǎn)矩的。因此，要求上述接觸面之間滿足一定的接觸壓力，其分布規(guī)律對聯(lián)軸器轉(zhuǎn)矩的傳遞及傳遞效率高低都有很大影響。

5.2 最大負載工況

液壓聯(lián)軸器最大負載工況時計算結(jié)果見圖8。由圖8可見，該液壓聯(lián)軸器在最大負載工況下最大應(yīng)力仍未達到材料的屈服極限，能保證軸系工作安全可靠。

圖8 最大負載工況時液壓聯(lián)軸器應(yīng)力分布

6 結(jié)論

1)通過對液壓聯(lián)軸器裝配過程的仿真，發(fā)現(xiàn)該液壓聯(lián)軸器裝配完成后，在內(nèi)外套的接觸邊緣即外套尖角處會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，在液壓聯(lián)軸器設(shè)計時，需充分考慮尖角等應(yīng)力集中部位對其結(jié)構(gòu)強度的影響。

2)對比裝配過程及最大負載工況時液壓聯(lián)軸器內(nèi)外套應(yīng)力分布可知，在裝配過程中產(chǎn)生的最大動應(yīng)力要比最大負載工況時的應(yīng)力大。因此，在進行液壓聯(lián)軸器設(shè)計時，對其裝配過程中的結(jié)構(gòu)強度不應(yīng)忽視。

[1] 陳 奇，劉志剛，張文平.液壓聯(lián)軸器外套自緊身有限元分析[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2004，25(3)：318-321.

[2] 許定奇.過盈聯(lián)結(jié)的設(shè)計、計算與裝置[M].北京：中國計量出版社，1992.

[3] 陳道禮.過盈聯(lián)接的有限元分析[J].機械設(shè)計，2004(2)：46-48.