法蘭式液壓聯軸器抗沖擊性能分析

張曉陽，陳汝剛，解忠良，饒柱石

（1.海軍駐大連426廠軍事代表室，遼寧　大連116041；2.中國艦船研究設計中心，武漢430064；3.上海交通大學　機械系統與振動國家重點實驗室，上海200240）

法蘭式液壓聯軸器抗沖擊性能分析

張曉陽1，陳汝剛2，3，解忠良3，饒柱石3

（1.海軍駐大連426廠軍事代表室，遼寧大連116041；2.中國艦船研究設計中心，武漢430064；3.上海交通大學機械系統與振動國家重點實驗室，上海200240）

法蘭式液壓聯軸器作為船舶動力傳遞的關鍵部件，在造船工業中得到越來越廣泛的應用，但目前對其抗沖擊特性的研究較少。基于非線性接觸理論，建立某法蘭式液壓聯軸器接觸分析模型，獲得最大扭矩工況下聯軸器各部件的應力分布。在此基礎上，基于現代沖擊理論，分別采用頻域法和時域法對其進行抗沖擊特性分析。計算得到該液壓聯軸器在沖擊載荷作用下的應力分布，為船舶設備的抗沖擊評估和設計提供依據。研究結果表明，該液壓聯軸器符合抗沖擊性能要求。

振動與波；法蘭式液壓聯軸器；接觸應力；抗沖擊；頻域；時域

現代艦船在海戰中必然會面臨非接觸爆炸引起的沖擊破壞問題。隨著導彈、激光炸彈和水中兵器的發展，爆炸當量和沖擊持續時間明顯增加。精確制導技術的應用大大提高了武器命中率，使艦船沖擊環境進一步惡化［1］。在沖擊環境下艦載設備可能由于無法承受大的加速度和位移而遭到破壞，從而導致艦船喪失戰斗力，處于被動局面。因此，提高艦載設備的抗沖擊能力對提高艦船生命力和戰斗力具有重大意義［2，3］。法蘭式液壓聯軸器是艦船動力傳遞的關鍵部件，在艦船設備中占有重要地位，在沖擊安全級別中屬A級（最高級）設備。因此，開展艦用法蘭式液壓聯軸器抗沖擊性能研究，對提高艦船生命力和戰斗力具有重大意義。

1　液壓聯軸器工作原理

法蘭式液壓聯軸器可避免因采用鍵槽而對軸系強度產生的削弱，且傳遞扭矩大、對中性好。常用的液壓聯軸器一般分為套筒式和法蘭式，其工作原理相同。液壓聯軸器的核心部件由兩個鋼制套管組成，一個較厚的外套和一個較薄的內套，如圖1所示。內套外表面和外套內表面具有相同的錐度。液壓聯軸器安裝時利用徑向油壓，使外套和內套均產生彈性變形（外套擴大，內套收縮）。在軸向油壓推動下，外套逐漸向錐面大端移動。當外套到達設計位置后，釋放徑向油壓，因彈性變形的作用致使外套、內套和軸相互抱緊。工作時依靠過盈配合面間的摩擦力傳遞軸的扭矩。

圖1　液壓聯軸器結構組成

2　抗沖擊原理

2.1頻域分析法

頻域分析法是將設計沖擊譜作為系統的沖擊輸入，并對系統數學模型進行模態分析，對模態分析結果進行合成，從而求得系統的沖擊響應［4］。常用的頻域分析法是動態設計分析法（Dynamic Design Analysis Method，DDAM）。載荷譜的獲得可參考GJB1060.1。設計沖擊譜隨艦艇類型、設備安裝位置以及設備各級模態質量的不同而不同。艦用液壓聯軸器屬于A類設備，計算公式如下所示。

式中A0——加速度，m/s2；V0——速度，m/s；ma——模態質量，t。

根據GJB1060.1要求，采用NRL方法進行模態合成，如下式所示

式中xib——任一階模態的最大響應；xia——對應a階模態的響應；xi——合成后的響應。

頻域抗沖擊計算最終結果為頻域動力學計算結果與設備連續工作應力之和［5］。液壓聯軸器由于過盈配合產生的接觸應力及傳遞扭矩產生的應力均為連續工作應力，故計算結果應包含這些應力值。

2.2時域分析法

DDAM法最大優點是節約計算資源，但也存在不足之處，如不能考慮阻尼效應、不能考慮非線性效應和間隙效應等。時域分析法是目前國內外廣泛應用的一種計算方法。該方法采用實測的時間歷程曲線或標準的基礎輸入時程曲線作為設備的沖擊輸入載荷，對設備進行瞬態動響應分析。時域分析法可以對各種非線性因素進行精確仿真［8］。本次研究采用德國艦船沖擊標準BV043/1985中規定的雙三角加速度時間歷程曲線，如圖2所示。

圖2　雙三角形時域曲線

根據BV043/1985要求，相關參數計算方法如下：

（1）設備質量小于5 t的隔離系統，抗沖擊指標見表1。

表1　 BV043/1985抗沖擊譜

（2）對于設備質量大于5 t的隔離系統，沖擊譜速度和加速度需要進行折減，折減的公式為

式中m——隔離安裝的設備質量，t；m0——質量常數，恒等于5 t；A——折減后的加速度譜值，g；V—折減后的速度譜值，m/s。

計算輸入載荷依據表2和圖2來確定，圖2為從沖擊譜轉換為等效的時域加速度曲線。圖中的參數計算方法如下所示。

表2　時域沖擊波參數

3　數值建模

3.1接觸應力分析數值建模

法蘭式液壓聯軸器接觸應力分析模型如圖3所示。聯軸器各部件已處于裝配完成時的相對位置。聯軸器外套和內套、內套與傳動軸之間形成過盈配合。在上述過盈配合面之間建立接觸關系［9］，并通過接觸面間的幾何過盈量來模擬接觸面間的接觸應力。

施加邊界條件時，連接法蘭端面固支。定義一個參考點，并與另一傳動軸端面建立耦合關系。通過在參考點施加最大工作扭矩來模擬傳動軸所傳遞的扭矩值。

圖3　接觸應力計算網格模型

3.2抗沖擊分析數值建模

法蘭式液壓聯軸器抗沖擊模型包括傳動軸、連接軸、法蘭式液壓聯軸器、液壓螺栓（液壓螺栓設計原理同液壓聯軸器，由套筒、螺桿、螺母組成；本模型中共含15個液壓螺栓），如圖4所示。液壓聯軸器與軸懸空連接，沖擊載荷經支承軸承從兩個軸端輸入。傳動軸及連接軸兩端面固支約束。

圖4　抗沖擊計算模型

（1）由于DDAM法不能考慮非線性因素，因此，采用DDAM法時聯軸器內套與軸、聯軸器內套與外套、液壓螺栓套筒與螺桿、液壓螺栓套筒與螺栓孔等接觸面之間的關系均采用Tie。

（2）采用時域法建模時，同樣固支傳動軸及連接軸兩端面，三角沖擊波施加在兩個軸端面上。為了精確計算聯軸器抗沖擊響應，并減少計算規模，聯軸器內套與軸接觸面間、聯軸器內套與外套接觸面間定義過盈配合關系，接觸面之間用Contact定義。其余接觸面間采用Tie連接。

4　材料屬性及計算工況

以某型艦船用法蘭式液壓聯軸器為分析對象，對其最大扭矩工況下的接觸應力及抗沖擊性能進行研究。液壓聯軸器各部件及軸的材料屬性如表3所示。最大扭矩工況下推進軸系所傳遞的扭矩值為3 600 kNm，推力為1 700 kN。

表3　各部件材料屬性

4　計算結果分析

4.1接觸應力計算結果

最大扭矩工況下，液壓聯軸器接觸應力仿真計算結果如下所示。

圖5　最大扭矩工況下外套應力分布云圖

圖6　最大扭矩工況下內套應力分布云圖

從以上結果分析可知，整個結構最大應力出現在內外套接觸邊緣。外套最大值為648.6 MPa，內套為333.5 MPa。液壓聯軸器所有零件應力均小于材料屈服極限。

4.2頻域法計算結果

抗沖擊計算無論頻域還是時域都應該進行垂向、縱向和橫向的評估。由于垂向沖擊破壞最大，本文只對垂向結果進行分析。垂向沖擊應力綜合結果，外套最大應力出現在節點2 763處，為703.89 MPa，內套最大應力出現在節點5 932處，為335.47 MPa。依據GJB 1060.1規定抗沖擊分析應力應小于材料屈服強度，故聯軸器內外套均符合抗沖擊要求。

圖7　垂向沖擊整體模型應力分布云圖

圖8　垂向沖擊外套應力分布云圖

圖9　垂向沖擊內套應力分布云圖

4.3時域法計算結果

時域法子模型計算結果如下所示。對圖12、圖13應力時歷曲線進行分析，發現時域計算中外套與內套最大應力分別為738.37 MPa和373.10 MPa，出現在1 ms和10 ms時刻，均未超出材料屈服強度。

綜合上述結果，頻域與時域分析相符，聯軸器承受垂向沖擊作用時薄弱環節出現在內套與外套相互接觸面的兩端附近。

5　結語

基于非線性接觸理論，建立液壓聯軸器接觸應力分析模型，獲得液壓聯軸器在最大扭矩工況下的

圖10　 0.603 ms時外套應力分布

圖11　 10.863 ms時內套應力分布

圖12　時域分析時聯軸器外套某危險點（節點2 763）應力時歷曲線

圖13　時域分析時聯軸器內套某危險點（節點5 932）應力時歷曲線

應力分布。基于現代沖擊理論，建立液壓聯軸器抗沖擊分析模型，分別對某法蘭式液壓聯軸器進行頻域和時域抗沖擊性能的仿真計算。通過對數值計算結果的分析，可以得出以下結論：

（1）經分析發現，該液壓聯軸器抗沖擊薄弱環節在內外套的接觸邊緣即外套尖角處。這里易產生應力集中，在設計加工過程中應采取相應措施加以避免；

（2）抗沖擊結果分析時，頻域及時域分析該聯軸器都符合抗沖擊性能要求。對內外套相同節點應力對比發現，兩種方法計算結果比較接近。這樣也達到了相互驗證的作用，證明計算結果可信。

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Analysis of theAnti-shock Performance for Flanged Hydraulic Couplings

ZHANG Xiao-yang1，CHEN Ru-gang2，3，XIE Zhong-liang3，RAO Zhus-hi3

（1.Naval Military Representative Office in 426 Plant，Dalian 116041，Liaoning China；2.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China；3.State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

Flanged hydraulic coupling is an important junction of the power transmission system and is being widelyused in modem naval shafting system.However，only few researches on its anti-shock performance have been done.In this paper，a finite element model of a flanged hydraulic coupling was built based on the nonlinear contact theory.Distribution of the contact stress was obtained in the working condition of the maximum torque.Furthermore，based on modern impact theory，the anti-shock performance of the coupling was studied in both frequency domain and time domain.The stress distribution was obtained from the anti-shock simulation.The results indicate that the design of the flanged hydraulic coupling can meet the requirement of the anti-shock performance.This work provides a database for anti-shock design and evaluation of ship's devices.

vibrationandwave；flangedhydrauliccoupling；contactstress；anti-shock；frequencydomain；timedomain

TH133.4

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.05.003

1006-1355（2015）05-0021-04+47

2014－12－02

張曉陽（1985－），男，遼寧大連人，主要研究方向：船舶動力裝置特性研究。

陳汝剛，男，博士，工程師。

E-mail:rgchen@sjtu.edu.cn