萬向聯軸器應力分布及ANSYS有限元分析

李志偉， 王野平

（1.寧波鋼鐵有限公司，浙江 寧波 315800；2.同濟大學，上海 200092）

1 萬向聯軸器扭矩實測

立輥軋制時，傳動機構承受復雜應力，產生相應應變，通過測量軋制時傳動機構的應變，建立應力與應變對應關系，測出軋機工作狀態下實際應力變化，得到立輥軋機實際工作時的扭矩。本次實測選定鋼種規格如表1所示，減寬量均為50mm。

表1 實驗鋼種規格表 mm

經實測，最大扭矩出現在Q345B軋制過程中，如表2所示。

表2 實測扭矩表 N·m

2 有限元分析

本計算利用ProE軟件進行三維實體模型的建立，然后將實體模型導入 Ansys Workbench軟件中進行有限元仿真［1］。

ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，能與ProE軟件接口，實現數據的共享和交換。

ANSYS主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊?？蛇M行結構靜力分析、結構動力學分析、結構非線性分析、熱分析、流體動力學分析、聲場分析等。

本節應用ANSYS結構靜力分析，通過劃分網格，施加約束及載荷，生成應力云圖，得出最大應力及發生位置。

2.1 定義單元類型

經簡化后的叉頭模型并不復雜，這里確定單元類型定義為solid45足夠。

2.2 定義材料屬性

根據圖紙資料，700法蘭叉頭與1 000法蘭叉頭材料均為ZG35CrMo，十字軸材料為34CrNi3Mo，表3是這兩種材料的機械特性。

表3 材料機械特性

2.3 創建模型

為得到萬向聯軸器軸裝叉頭精確的計算結果，則必須精確地確定其承受的載荷。所以，分析時必須精確模擬聯軸器各部分之間力的傳遞，在建立有限元模型必須采用聯軸器的整體結構。下頁圖1為分析模型，導入ANSYS軟件后進行加載求解［2］。

圖1 實體模型

2.4 網格劃分

使用三維實體SOLID45單元對實體模型進行單元劃分，根據圖紙資料，模型采取三維實體單元，網格劃分結果如圖2所示。將本次需計算的最大扭矩1 200kN·m施加在1 000法蘭側，將邊界約束施加在700法蘭側。

圖2 有限元模型

3 加載及求解

1）加載。實測最大轉矩Tmax＝900kN·m，考慮到本次實驗不是最大減寬能力下的數據，取轉矩1 200kN·m進行求解計算

2）求解。取傳遞轉矩為1 200kN·m進行計算，得到叉頭的應力分布和變形情況。

4 結果與分析（后處理）

1）傳遞轉矩為1 200kN·m時的計算結果。觀察聯軸器實際破壞情況，屬于應力集中引發的瞬時斷裂，斷口具有脆性斷裂特征。根據強度理論，對于此類破壞，應用第一強度理論（最大拉應力理論）計算強度是適宜的。為此，提取了仿真結果中最大拉應力云圖。圖3是700法蘭叉頭最大主應力云圖，圖4是1000法蘭叉頭最大主應力云圖。

圖3 700法蘭叉頭最大主應力云圖

圖4 1000法蘭叉頭最大主應力云圖

由仿真得出的應力云圖可知，最大拉應力均發生在零件截面過渡處的應力集中區域。其中，兩個叉頭法蘭的應力集中位置與最大拉應力比較接近，并且與實際破壞位置吻合，說明仿真結果可信。

2）根據圖紙資料，700法蘭叉頭與1 000法蘭叉頭材料均為ZG35CrMo，表3是這兩種材料的機械特性。對于法蘭叉頭，取強度極限為800MPa，考慮到載荷的沖擊性質，取安全系數n＝2，則許用應力：［σ］＝800／2＝400MPa，在傳動軸扭矩達到1 200kN·m時，叉頭已超過許用應力。根據載荷與應力之間的線性關系，對于700法蘭叉頭，當扭矩達到900kN·m時，最大拉應力達到320MPa，即80%許用應力；當扭矩達到1 000kN·m時，最大拉應力達到360MPa，即90%許用應力。

5 結語

實測工況下，法蘭叉頭與十字軸最大拉應力達到80%許用應力，沒有達到斷裂的強度極限。十字軸的安全裕量最低，其材質的機械性能與標準要求相差較大。建議E1載荷警戒值為扭矩1 000kN·m。減寬量控制在50mm以內。

［1］ 劉鶯，李友榮，劉安中.軋機十字軸式萬向聯軸器的有限元分析［J］.重型機械，2007（4）：49－51.

［2］ 邢預恩.基于ANSYS的萬向聯軸器叉頭強度分析［J］.制造業自動化，2012（3）：109－110.