聯(lián)軸器膜片的應(yīng)力分析

  用有限元程序?qū)?fù)合材料聯(lián)軸器中圓環(huán)式膜片進(jìn)行了應(yīng)力分析,給出了膜片中存在的4種應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果,并分析比較了應(yīng)力對復(fù)合膜片疲勞壽命的影響。其結(jié)果對復(fù)合材料膜片疲勞壽命的計(jì)算提供了參考。 

膜片聯(lián)軸器主要是由膜片組件、法蘭盤、兩端軸、中間軸和連接螺栓組成的傳動裝置。目前常用金屬膜片結(jié)構(gòu),但在實(shí)際工作中會受到化工生產(chǎn)環(huán)境的影響,加速膜片的斷裂破壞,減少其使用壽命。運(yùn)用傳統(tǒng)的材料力學(xué)方法和有限元和優(yōu)化設(shè)計(jì)致力于金屬膜片應(yīng)力和壽命分析。

1力學(xué)模型簡化

取復(fù)合膜片的1/4進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算,不計(jì)各膜片間微小的相對運(yùn)動所產(chǎn)生的表面剪切和積壓,認(rèn)為外載荷平均分布在6組膜片中,每片承受其中的1/6,不考慮橫向振動產(chǎn)生的相對較小的慣性應(yīng)力。在取出的1/4膜片邊緣截面上采用固定約束處理;中間螺栓孔處根據(jù)不同工況分別固定徑向位移并根據(jù)工作參數(shù)給定軸向位移;小孔邊緣采用剛性域(加固)處理。膜片內(nèi)外環(huán)邊自由。

具體計(jì)算工況可分為4種情況。

1.1轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力一側(cè)轉(zhuǎn)矩T產(chǎn)生的力平均分布在4個(gè)間隔相同的螺栓孔上,P=T/(4r)在所取的1/4膜片上,該力沿周向作用于中間螺栓孔一側(cè)中部,固定徑向位移和軸向位移。

1.2離心慣性力產(chǎn)生的離心慣性應(yīng)力高轉(zhuǎn)速機(jī)械的離心慣性力在結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算中好重要,該聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)速為n=2960r/min,其離心慣性力可以按徑向力f=(2πn/60)2ρr加載,方向沿徑向向外,固定中間螺栓孔的徑向位移、周向位移和軸向位移,周邊無其他載荷作用。

1.3軸向安裝誤差引起的彎曲應(yīng)力由于軸線方向的實(shí)際安裝誤差,膜片沿軸線方向發(fā)生彎曲變形,當(dāng)軸向位移偏差較大時(shí),該彎曲變形產(chǎn)生的應(yīng)力在膜片的應(yīng)力分析中好重要。計(jì)算時(shí)按技術(shù)要求給定軸向位移偏差為[X]=2.8mm,中間軸兩側(cè)分別為1.4mm,該位移加載在中間螺栓孔處的軸線方向,徑向位移和軸向位移固定。

1.4角向安裝誤差引起的彎曲應(yīng)力(周期性應(yīng)力)由于軸線角向的實(shí)際安裝誤差,膜片沿軸線方向發(fā)生周期性彎曲變形,當(dāng)角向位移偏差較大時(shí),該彎曲變形產(chǎn)生的應(yīng)力在膜片的應(yīng)力分析中好重要,而且它是決定膜片疲勞壽命的主要因素。計(jì)算時(shí)按技術(shù)要求給定角向位移偏差[α]=2°,中間軸兩側(cè)分別為1°,根據(jù)角向偏差計(jì)算所引起的中間螺栓孔一周在軸線方向的(沿徑向線性變化)位移,徑向位移和軸向位移固定。

1/4膜片的有限元模型

根據(jù)簡化的力學(xué)模型,在軟件中建立實(shí)體模型。由于分析對象為復(fù)合型材料,因此采用線性、層狀的復(fù)合結(jié)構(gòu)殼單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,生成有限元模型。因以復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時(shí)是以在宏觀尺寸上整體組成的新材料為依據(jù),故復(fù)合材料參數(shù)與各層材料的定義參數(shù)有直接關(guān)系,計(jì)算結(jié)果也是以復(fù)合材料整體為對象進(jìn)行的。復(fù)合材料具有很高的比強(qiáng)性(強(qiáng)度/質(zhì)量)和比剛性(模量/質(zhì)量)。由于實(shí)際工作時(shí)聯(lián)與軸器膜片在螺栓孔周邊與法蘭相連而深受加固,因此采用剛性域處理。邊界條件和載荷按簡化的力學(xué)模型給出。自動生成的有限元模型結(jié)點(diǎn)數(shù)為2713,單元數(shù)為835。有限元網(wǎng)格的劃分情況和節(jié)點(diǎn)編碼,在不同的計(jì)算流程中節(jié)點(diǎn)編碼上可能存在微小差異,它并不影響應(yīng)力的計(jì)算和分析,結(jié)果分析可根據(jù)對應(yīng)點(diǎn)在模型中的具體位置(坐標(biāo))來確定。

決定膜片壽命的影響因素主要有應(yīng)力幅和平均應(yīng)力兩個(gè)方面,影響較大的為應(yīng)力幅的數(shù)值。應(yīng)力幅是指動態(tài)應(yīng)力角向位移引起的彎曲應(yīng)力幅,平均應(yīng)力是指3種靜態(tài)應(yīng)力(薄膜應(yīng)力、離心應(yīng)力、軸向偏差應(yīng)力)的組合應(yīng)力。實(shí)際工作中轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化、安裝誤差的調(diào)整等均會對實(shí)際壽命產(chǎn)生明顯影響。另外,膜片的制造缺陷也會影響其壽命。從應(yīng)力數(shù)值上看,角向和軸向安裝偏差應(yīng)力遠(yuǎn)大于工作載荷所產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力和離心慣性應(yīng)力。因而,影響膜片疲勞壽命的決定因素是安裝偏差引起的附加應(yīng)力。在實(shí)際工作中,應(yīng)盡可能提高膜片聯(lián)軸器的安裝精度,即減少軸向位移量和角向位移量,以延長膜片工作壽命。