（机械设计及理论专业论文）膜片联轴器动力学仿真及疲劳寿命分析.pdf

中文摘要 摘要 膜片联轴器是一种联接轴与轴或其他回转零件以实现传递运动和动力的装 置，主要由膜片、中间轴、法兰、连接环、压板、螺栓等零件组成。膜片联轴器 可通过膜片的弹性变形来补偿相对位移，允许所联两轴存在一定的轴向、径向和 角向安装误差，且对传动系统有缓冲和减振作用，是一种高性能的挠性联轴器， 广泛应用于各种机械装置的轴系传动中。膜片联轴器结构复杂，膜片损坏导致的 联轴器失效将直接影响传动系统的正常工作，甚至造成安全事故。因此，开展膜 片联轴器接触有限元分析、动力学仿真和疲劳寿命分析的研究有重要的工程应用 价值。 本文综合应用多体接触有限元法、动力学仿真理论以及疲劳寿命分析方法， 对膜片联轴器力学性能和疲劳寿命进行研究。本文的主要研究工作如下： 考虑膜片联轴器实际工作状态下的螺栓预紧力、离心力、扭矩等载荷工况， 建立了膜片联轴器的整体有限元模型，采用a n s y s 软件对其进行多体接触有限元 分析，研究了轴向、径向和角向安装误差对膜片联轴器力学性能的影响。 借助a n s y s 软件采用分块l a i l c z o s 法分别对膜片联轴器整体和膜片组进 行模态分析，计算获得联轴器和膜片组的前2 0 阶固有频率及其对应的振型。 采用虚拟样机仿真软件a d a m s ，建立了膜片联轴器多刚体动力学模型， 在此基础上对膜片进行柔性化处理，建立膜片联轴器的刚柔耦合模型，通过刚柔 耦合动力学仿真分析得到了膜片和螺栓的载荷时间历程。 运用a n s y s 软件对膜片和螺栓进行静力分析，借助f e s a f e 软件把静力 分析的结果文件与刚柔耦合动力学仿真分析得到的载荷时间历程相结合，通过疲 劳计算得到膜片和螺栓的疲劳寿命。 关键词：膜片联轴器，动力学仿真，疲劳分析，有限元法 重庆大学硕士学位论文 i i 英文摘要 a b s t r a c t m e m b r a 皿ec o u p l i n gi sac o n n e c t i o nd i v i c ew 1 1 i c hc o 皿e c t so n es l l a rw i t l la r l o m e r s 心o ro 也e rr o t a r yp a r t st ot r a n s m “i n o v e i n e n t sa n dp o w e r i tm a i n l yc o i l s i s t so f m e n l b 瑚l i l e ，i n t e m e d i a t es h a 危n a i l g e ，j o i i l i n gl i n k ，p l a t e n 锄db o l t s a st 1 1 er e l a t i v e d i s p l a c e m e n to f 也e 铆os h m sc a nb ec o n l p e n s a t e db yt l l ee l a s t i cd e f 0 加1 撕0 1 1o f 恤 m e m b r a n e ，廿1 u sa x i a li n s t a l l a t i o ne r r o r s ，r a d i a li n s t a l l a t i o ne r r o r sa 1 1 da n g l ei n s t a l l a t i o n e n d r si nc e r t a i l lr 锄g eb e “e e nt l l e 铆os h a f t sa r ep e n 】 1 i t e d f u r t h e n n o r em e m b r a i l e c o u p l i n gh 觞a 劬c t i o no fb 曦曲ga n dd 觚l p i n gf o r 缸趴s i n i s s i o ns y s t e m t h e r e f o r e ， i t s1 i i d e i yu s e di ns h m i n g 缸孤s 蚵s s i o ni na u 幽d so fm e c h a n j c a ld e v i c e 筋ai d n do f l l i g hp e r f - 0 n n a i l c en e x i b l ec o u p l i i 玛b e c a u s et 1 1 es 仃1 尬t u r eo fm e m b r a n ec o u p l i n gi s c o n l p l e x ，t 1 1 em e n l b 姗ed 锄a g e 诚ul e a dt 0c o u p l i n g 筋l u r e ，w 1 1 i c h 谢ua 毹c t 也e n o m a l 、瑚i f ko ft l l ed r i v es y s t e md i r e c t l y ，锄de v e nc a u s ea c c i d e n t s t h e r e f o r e ，i th 弱 g r e a te n 西n e e r i n gv a l u e st oc o n d u c tar e s e a r c ho nm e m b r 觚ec o u p l i n gc o n t a c tf 吐t e e l e m e n ta i l 2 l l y s i s ，d ”l a m i c ss i m u l a t i o na i l df a t i g u e 孤1 2 l l y s i s c o m b i l l i n g 晰t l lt l ：屺h m l t i - b o d yc o n _ t a c tf i i l i t e e l e m e n tm e n l o d ，t l l ed y n a m i c s i i l l u l a t i o nt 1 1 e o 搿a i l dt l l ef - a t i g u ea n a l y s i sm e t l l o d ，t l l em e c h a n i c a lp r o p e r 眵龇l df a t i g u e l i f eo f l ei n e m l b r a n ec 0 u p l i n gw e r e 鲰l d i e d n l em a i nr e s e a r c hw o r ki i lt h i sp a p e rc 观 b es u i n m a d z e da sf b l l o w s ： g m ep r e t i 曲l t e i l i n gf o r c e so fb o l t s ，c e n t r i m g a lf o r c ea 1 1 dt o r q u e 嬲l o a d s o fm 锄b 删n ec o u p i i l l gi nw o r k i n gc o n d i t i o n ，af i m t ee l e m e n tm o d e lo fm e m b r a 】n e c o u p l i n gi se s t a b l i s l l e d w i n lt 1 1 eh e l po fa n s y s ，t h ec o n t a c tf i l l i t ee l e m e n ta n a l y s i so f m ec o u p l i n gi s 嘶e do u t t h e nt h ei n n u e n c eo fi n s t a l l a t i o ne 仃0 r so nm em e c h a n i c a l p r o p e n i e so fm e m b r a n ec o u p l i n gi so b t a i n e d w 汕b l o c kl a n c z o sm e m o di na n s y s ，m o d a la i l a l y s e so ft l l ew h o l em e m b 姗e c o u p l i n ga i l do n es i n g l em e m b r a n eg r o u pa r ec o n d u c t e ds e p a m t e l y t h ef i r s t2 0o r d e r s o fn a t u r e 矗e q u e n c y 锄dm a i nv i b r a t i o nm o d eo f 也em e 血b r a n ec o u p l h 增a n dm e m b r a n e 伊o u pa r e a _ t t a i n e d ( 爹w i t l lt l l eh e l po fv i r t i l a lp r o t o t y p cs i m u l a t i o ns o f h 町ea d a m s ，m e m u l t i r i g i d b o d yd y n 锄i c sm o d e lo f l cm e m b r a n ec o u p l i n gi se s t a b l i s h e d t h e nt l ：屺 r i 西d n e x i 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膜片联轴器主要由膜片、中间轴、法兰、连接环、压板、螺栓等组成，结构 比较复杂。联轴器工作时由于不对中等原因，将承受复杂载荷的作用，随着工作 时间的增加，膜片、螺栓等部件将产生疲劳磨损，最终导致联轴器的失效。这会 直接影响传动系统的正常工作，甚至造成安全事故。因此有必要对膜片联轴器进 行动力学仿真及疲劳寿命计算。 本文根据膜片联轴器的实际结构，运用a n s y s 软件，建立联轴器整体有限元 模型，对其进行多体接触有限元分析，研究安装误差对膜片联轴器力学性能的影 响；而后，建立膜片联轴器整体和膜片组模态有限元分析模型，分析其固有特性： 进而，在a d 蝴s 中，利用虚拟样机技术建立膜片联轴器动力学仿真模型，分析 膜片和螺栓的载荷时间历程；最后，将静力分析结果与动力学仿真结果中的载荷 时间历程相结合，借助f e s a f e 软件分析膜片和螺栓的疲劳寿命。通过本课题的研 究，提出联轴器疲劳寿命仿真方法，对提高我国膜片联轴器的设计水平，具有重 要的理论意义和实用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 联轴器强度分析及安装误差影响研究现状 膜片联轴器是通过膜片来传递转矩和补偿轴向、径向和角向误差，以实现隔 振效果，这就要求其具有较高的强度【l 。2 】。许多学者致力于膜片联轴器强度及受安 装误差影响的研究，一部分是应用理论力学、材料力学等传统设计方法，也有应 用有限元法或优化设计等现代设计方法。 申清潭以连杆式膜片联轴器为研究对象，阐述了膜片损坏是联轴器失效的最 主要形式，膜片失效的原因是膜片组受力不均而部分拉断；运用材料力学对膜片 组进行受力分析，并进行膜片应力的计算和强度的校核，得到的结论为膜片联轴 器受破坏的根本原因在于结构不合理及膜片的受压失稳【3 】。徐启清介绍了高速重载 旋转机械用的带钢片挠性元件联轴器的结构和特性，简化了钢片力学模型，研究 了膜片的应力分析及膜片联轴器的初步设计方法【4 】。徐伟等人利用力学分析方法对 重庆大学硕士学位论文 膜片联轴器进行了强度和刚度的分析，其计算结果与实际相符，验证了理论计算 的可靠性【5 】o 华军等基于薄板弯曲理论和有限元法建立了六孔圆环形和束腰形膜片 的计算模型，并进行了应力分析【6 】。申屠留芳等对链板式叠片联轴器的受力特点进 行分析，对其在扭矩和轴向载荷作用下的应力进行了计算，并着重分析比较了传 递不同的功率以及叠片组不同的轴向位移对应力的影响【刀。汝宇林，周新光等利用 有限元简化模型，考虑轴向安装误差和角向误差的等影响因素，对金属膜片联轴 器的圆环式膜片进行了应力分析，其结果中危险应力点位置和实际情况吻合h j 。 d u o n g 计算了膜片联轴器的应力，得出膜片联轴器性能与其应力特性有密切关系 的结论【9 】；d o b r e 建立了单张膜片的有限元模型，计算得出膜片的等效应力云图， 并指出了膜片的应力危险区域【l o 1 1 】。由此得知，目前对膜片联轴器的强度分析的研 究，往往是针对单张膜片建立简化模型再进行分析，而以膜片联轴器整体为对象 的接触有限元分析却很少见。 国内学者在安装误差对联轴器的影响方面进行了大量研究。殷国庆等对膜片 联轴器的静态特性、动态特性、高速性、高效率传动特性进行了分析，得出膜片 联轴器适用于具有较大的轴向、径向和角度误差的传动系统的结论【l 列。高洪涛等 考虑转子系统不对中因素的影响，建立了膜片联轴器耦合转子轴承系统的动力学 模型，分析了在对中、不对中两种状态下转子系统的特征值、模态和系统的稳定 性【1 3 】。r e d m o n d 通过研究认为联轴器的不对中对是影响其工作性能的重要因素之 一【1 4 1 ，s e l ( 1 l a r 等认为旋转机械上轴与联轴器之间的连接不当会导致严重的振动， 通过考虑偏差等因素，使用高阶有限元法建立了转子系统模型，并进行了分析l l 引。 p a o l o 等建立了包含不对中因素的联轴器模型，并用解析法对其进行了分析【l 引。 l 觚d o n 等对金属柔性联轴器的轴向振动性能进行了分析【l ，c a l i s 虹锨考虑柔性联 轴器不对中产生的反力和弯矩，通过有限元法模拟了谐振情况，并研究了金属膜 片联轴器的性能【1 8 】。b i 曲o l z 等研究了膜片联轴器在涡轮机械中的应用，他认为膜 片联轴器非常适合在高速运转，同时又要补偿轴向、径向和角向偏移的环境中传 递扭矩，并描述了这种联轴器的结构和性能【1 9 】。 综上所述，学者在不对中对联轴器工作性能的影响方面己取得大量研究成果， 而在安装误差对膜片联轴器力学性能影响规律方面的研究还鲜有报道，有必要考 虑实际工作状态下的轴向、径向和角向误差，研究安装误差对联轴器力学性能的 影响，并通过与无误差情况的对比分析，揭示其影响规律。 1 2 2 联轴器动力学分析研究现状 模态是机械结构的固有振动特性，每一阶模态具有特定的固有频率、阻尼比 和模态振型，模态分析是研究结构动力特性的一种方法。很多学者对联轴器及传 动系统的固有特性进行了研究。李和言等建根据振动理论并结合系统扭振实验研 2 1 绪论 究了3 种弹性联轴器对传动系统扭振特性的影响规律，着重分析联轴器刚度和阻 尼对系统固有频率、固有振型、强迫振动响应等模态参数的影响。通过对比研究 得出结论，匹配的弹性联轴器可以调整系统的低阶固有频率、避免系统发生共振， 以改善动力传动系统的扭振特性【2 0 】。申屠留芳和杨平等利用自由界面模态综合法 研究了关节联轴器的固有频率和振型【2 l 】。张超采用k e d 法建立了过约束机构施密 特平行轴联轴器的弹性动力学模型，并在a n s y s 计算其固有频率圈。刘建武建立 了直升机某型动力传动轴和膜片联轴器的有限元模型，计算了其固有频率和模态 振型，分析了膜片厚度对传动轴和膜片联轴器固有频率和模态振型的影响【2 3 1 。陆 辉等运用a b a q u s 软件对大转矩弹性联轴器进行模态分析，得到各阶振型和相应 的固有频率【2 4 1 。 多体系统动力学是在经典力学的基础上发展起来的，研究对象是由多个物体 连接而成的系统，主要任务是建立系统的动力学模型，并研究其数值解法。上世 纪六、七十年代，美国的罗伯森、凯恩，联邦德国的维登伯格，苏联的波波夫等 人先后提出了各自的方法来解决这些复杂系统的动力学问题。近年来发展起来的 k 觚e 方法可以自动适应系统结构和参数的变化，是一种具有广阔工程应用前景的 方法1 2 5 1 。1 1 1 e - h u s t o n 方法【2 6 】是既具有m e 方法的优点也具有很强符号运算功能 的新方法。 随着研究的深入，多体系统动力学已由早期的多刚体系统动力学发展为多柔 体系统动力学。柔性体的离散是柔性多体系统建模的重要环节，迄今为止，人们 普遍采用系统静止时的模态作为变形的度量尺度【2 7 圆1 ，并用混合坐标法进行柔性 多体系统动力学的建模。目前，对联轴器多体动力学仿真已有许多研究，并取得 丰富的研究成果。赵晓东等基于虚拟样机技术，运用多体仿真软件v j 咖a 1 1 a b ，建 立了环槽式万向联轴器的多刚体和多柔体模型，并分别进行了多体动力学仿真， 仿真结果表明多刚体仿真结果与理论值想吻合，多柔体仿真结果与a n s y s 模拟结 果相差较大1 3 0 】。宋德政等借助a d a m s 软件对三叉杆滑块式万向联轴器进行运动仿 真分析，为联轴器的研发和设计打下了基础【3 。晋萍等综合运用c a t i a 和a d 锄s 软件对十字轴万向联轴器进行了运动学和动力学仿真，其仿真结果与理论计算值 基本吻合，验证了虚拟样机技术的实用性，对联轴器的设计开发有重要作用【3 2 】。 冉涌等借助u g 软件建立了连杆式膜片联轴器的三维实体模型，导入到a d 锄s 中， 并对膜片做柔性化处理，建立了膜片联轴器的刚柔耦合模型，通过仿真分析，得 到了膜片的载荷谱，为膜片的疲劳分析做了准备工作【3 3 1 。 综上所述，对联轴器的动力学仿真已经取得了较大成果，而针对圆环式膜片 联轴器动力学仿真的研究还鲜有发现。 重庆大学硕士学位论文 1 2 3 联轴器疲劳分析研究现状 由于安装误差引起的不对中等原因，联轴器工作时承受复杂载荷的作用，随 着工作时间的增加，这势必会影响到联轴器的使用寿命。 国内外学者在联轴器疲劳寿命分析方面做了大量研究，并取得丰富的研究成 果。m a l l c u s o 在联轴器的设计与应用中提到疲劳寿命计算的重要性【34 | 。h e r b 嘶t c 等介绍了膜片联轴器的性能，并运用名义应力法估算了膜片的寿命瞰j 。v a s i l i s 等 研究了疲劳载荷获取的方法【3 7 1 。华军等人针对六孔圆环形和束腰形膜片，利用 有限元方法和薄板弯曲理论建立膜片应力的计算模型，运用改进的局部应力应变 法，定量分析两种形式膜片的疲劳寿命【5 1 。张浩民等人利用a n s y s 有限元程序对 金属膜片联轴器中圆环膜片进行静态和动应力计算，通过实例求出膜片中静态3 种应力组合总应力和角向弯曲动态应力，为膜片疲劳寿命的计算提供了依据，最 后定性地分析了影响膜片疲劳强度因素【3 引。尹怀志等人以束腰式膜片为研究对象， 利用有限元软件对膜片中存在的应力进行了计算，得到了膜片应力的结构变形图、 节点应力分布图及最大应力点的数值和位置。根据计算结果，应用疲劳裂纹形成 寿命计算的应力一应变法，对膜片的疲劳寿命进行了计算【3 9 j 。郑劲等对连续四边形 膜片联轴器进行了疲劳分析与计算，结果显示膜片联轴器角向位移情况下的长期 运转引起了膜片的疲劳，最后给出了限制膜片上的脉动循环弯曲应力，以防止膜 片失效的方法【4 0 】。丁雪兴分析了膜片联轴器金属膜片的受力，运用有限元法，通 过简化模型对膜片联轴器膜片应力进行了计算，并运用兰德格拉夫损伤公式估算 膜片裂纹的形成寿命【4 l 】。张安哥、何玉林、冉涌等运用有限元法计算膜片联轴器 膜片的疲劳寿命，分析采用了雨流循环计数法和p a l m g r e n m i n e r 线性累积损伤理 论( m i n e r 理论) ，在分析过程中给定材料的性能和处理方式，并且把有限元强度分 析的结果与载荷时间历程相关联，分析结果表明变化的拉力和角位移是引起膜片 疲劳破坏的主要原因【4 2 讲】。 综上所述，对联轴器疲劳寿命研究已经取得了显著成果，但是目前多数是运 用疲劳公式或有限元的方法进行计算，而运用f e s a f e 软件和a d a m s 动力学仿真 相结合的方法来计算膜片的疲劳还较少。 1 3 本文的主要研究内容 本文综合应用多体接触有限元法、动力学仿真理论以及疲劳寿命分析方法， 对膜片联轴器力学性能和疲劳寿命进行研究，为联轴器力学性能分析及疲劳寿命 计算提供理论依据和实现方法。 本文的主要研究内容包括： 考虑膜片联轴器实际工作状态下的螺栓预紧力、离心力、扭矩等载荷工况， 4 l 绪论 建立膜片联轴器的整体有限元模型，采用a n s y s 软件对其进行多体接触有限元分 析，并研究轴向、径向和角向安装误差对膜片联轴器力学性能的影响。 借助a n s y s 软件对膜片联轴器整体和膜片组进行模态分析，研究联轴器 及其膜片组的固有特性。 采用虚拟样机仿真软件a d m s ，结合膜片组模态计算结果，建立膜片联 轴器的刚柔耦合动力学模型，并进行动力学仿真，求解膜片组和螺栓的载荷时间 历程。 借助f e s a f e 软件，结合膜片组和螺栓的静力分析结果与刚柔耦合动力 学仿真分析所得的载荷谱，仿真计算膜片和螺栓的疲劳寿命。 重庆大学硕士学位论文 6 2 膜片联轴器多体接触有限元分析 2 膜片联轴器多体接触有限元分析 2 1 引言 联轴器是用来联接主动轴和从动轴使之共同旋转以传递扭矩的机械部件，广 泛用于各种机械装置的轴系传动中。联轴器分为刚性联轴器和柔性联轴器，膜片 联轴器属于柔性联轴器。实践表明，金属膜片联轴器的失效在通常情况下均为膜 片损坏所致，开展膜片联轴器多体接触有限元分析具有重要意义。 本章考虑膜片联轴器实际工作状态下的螺栓预紧力、离心力、扭矩等载荷工 况，建立了膜片联轴器的整体有限元模型，采用a n s y s 软件对其进行接触有限元 分析，得到膜片联轴器的综合位移、等效应力和接触应力云图，以及膜片组的等 效应力和接触应力分布曲线。分别考虑轴向偏离、径向不对中、角向不对中等安 装误差情况，对膜片联轴器进行数值模拟，研究各种安装误差对膜片联轴器力学 性能的影响状况，以及对膜片组应力和膜片间接触应力的影响规律。 2 2 接触有限元分析基本理论 随着数值解法的兴起和发展，出现了许多求解接触问题的非经典方法，有限 元法作为解决复杂工程问题的最有效的数值方法，也成为求解接触问题的一种主 要方法。以有限元为基础来求解接触问题的数值解法主要可分为直接迭代法、数 学规划法和接触约束算法等。 直接迭代法 迭代法是解决非线性问题的常用方法，它在接触问题的研究中也首先得到了 应用。在用有限元位移法求解接触问题时，首先假设初始接触状态形成系统刚度 矩阵，求得位移和接触力后，根据接触条件不断修改接触状态，重新形成刚度矩 阵求解，反复迭代直至收敛，在上述方法中，每次迭代都要重新形成刚度矩阵， 求解控制方程，而实际上接触问题的非线性主要反映在接触边界上，因此，通常 采用静力凝聚技术，使得每次迭代只是对接触点进行，大大提高了求解效率。另 外，还有虚力法，用沿边界的虚拟等效压力来模拟接触状态，这样在每次迭代中 并不重新形成刚度矩阵，所做的只是回代工作。 有限元混合法在弹性接触问题的求解中也得到较广泛的应用。它以节点位移 和接触力为未知量，并采用有限元形函数插值，将接触区域的位移约束条件和接 触力约束条件均反映到刚度矩阵中去，构成有限元混合法控制方程。对弹塑性接 触问题，在求解过程中接触非线性和材料非线性都需要迭代求解。通常是利用系 统刚度矩阵的变化来反映材料非线性的影响，在每次塑性修正迭代过程中都要结 7 重庆大学硕士学位论文 合对接触状态的判断进行接触迭代计算。运用弹性叠加双重迭代法来建立有限元 方程，再利用内外循环迭代求出方程的近似解，在整个计算过程中不改变接触体 刚度阵，仅增加平衡力修正项，在一定程度上提高了计算效率。 数学规划法 接触问题的数学规划法是基于势能或余能原理，利用变分不等式等现代数学 方法导出的，理论上比较严格和直观。最初该方法是针对无摩擦接触问题提出的， 它利用了无摩擦接触问题的非穿透条件和互补条件，经有限元离散后，无摩擦接 触问题被归结为二次规划问题求解，后来在有摩擦问题上的应用也获得了成功。 数学规划方法在弹塑性接触问题的应用，通常用迭代法反映材料非线性特征，在 每次迭代中用数学规划方法求解接触问题。钟万勰等利用参变量变分原理将接触 问题和弹塑性问题表示成具有相同形式的有限元参数二次规划问题，很方便地实 现了弹塑性接触问题的数学规划解法【4 5 1 。 接触约束算法 接触问题可描述为求区域内位移场阢使得系统的势能n ( u ) 功在接触边界条 件的约束下达到最小，即 1、 m i n n ( u ) = 去u 2 k u u 2 fif 21 、 s j zg o j 、 s j g 0 j 接触约束算法就是通过对接触边界约束条件的适当处理，将式( 2 1 ) 所示的约束 优化问题转化为无约束优化问题求解。根据无约束优化方法的不同，主要可分为 罚函数方法和l a 蓼弛g e 乘子法等。 a n s y s 软件采用的是接触约束算法，它提供了四种接触约束算法：纯罚函数 法、增广拉格朗日乘予法、纯拉格朗日乘子法、拉格朗日与罚函数相结合的方法。 本文采用的是增广拉格朗日乘子法来计算接触问题。 增广拉格朗日乘子法是通过改变罚因子寻找拉格朗日乘子的迭代过程。与罚 函数相比，接触刚度系数对它的影响相对较小，增广拉格朗日乘子法通常能够产 生较精确的结果。 2 3 膜片联轴器有限元模型 根据膜片联轴器的结构参数，建立膜片联轴器的三维实体模型，然后赋予模 型材料属性，选择八节点六面体单元，采用映射方法对网格进行离散化处理，再 添加边界条件并施加载荷，从而得到膜片联轴器的有限元模型。本章建立的模型 均为膜片联轴器整体的有限元模型，分为两种情况，一种是没有安装误差的有限 元模型，另一种是考虑膜片联轴器安装误差的有限元模型。 8 2 膜片联轴器多体接触有限元分析 2 3 1 膜片联轴器的结构 如图2 1 所示，膜片联轴器由膜片、法兰、调整环、联接环、中间轴、螺栓 等组成，联轴器工作时转矩从主动法兰输入，经沿圆周间隔布置的外圈螺栓组传 递至金属膜片，由膜片通过内圈螺栓组传至中间轴，再经另一端膜片组传递至从 动法兰盘输出。 图2 1 膜片联轴器结构示意图 f i 晷2 1n 他s 仃l l c t u r a lr e p r e 驼n t a t i o no f m e m b r a n ec o u p l i n g 2 3 2 几何模型的建立 由于非线性问题的复杂性，有必要适当将模型中不需要着重分析的部分进行 简化，可以提高建模、划分网格和求解的效率。膜片联轴器的模型建立过程中， 取右半联轴器整体作为分析对象，考虑到要涉及传动轴的扭转过程和螺栓预紧力 的施加，须建立联轴器的全模型，而不能只建立模型的四分之一。中间轴与内圈 螺栓、外圈螺栓与膜片等需要建立了接触对，并且接触面积比较大，需要消耗较 大的计算资源，再将螺栓预紧力考虑到分析当中将会使问题变得更复杂。建模中 对螺栓连接处进行了适当简化，即去掉垫片将螺帽与螺杆粘接为一体，通过在螺 杆中间施加预紧力实现螺栓锁紧。模型适当简化提高了建模、划分网格的效率， 减少了一些接触对，从而减少了计算过程对计算机资源的消耗，节约了计算时间， 提高了问题的收敛性，且对于问题重点分析的方面影响不是很大。 采用a n s y s 软件的a p d l 命令流，建立膜片联轴器的实体模型，并对模型进 行分割，以便于高精度网格划分，提高计算的精度。膜片联轴器的实体模型如图 2 2 所示，图中1 1 1 为膜片编号。 重庆大学硕士学位论文 ( a ) 整体模型( b ) 1 4 剖面模型 图2 2 膜片联轴器实体模型 f 追2 2t h e s o l i dm o d e lo f m e m b r a n ec o u p l i n g 2 3 3 网格划分 根据膜片联轴器的几何结构和受力情况，选择a n s y s 中的六面体s 0 1 i d 4 5 单 元进行网格划分。a n s y s 中有两种网格划分方式，即自由网格划分和映射网格划 分。本文对膜片联轴器的网格划分采用的是映射网格划分方式，可以很好的控制 单元的数目和形状，使网格模型具有较好的计算精度。膜片联轴器的有限元模型 如图2 3 所示。 ( a ) 整体网格( b ) l 4 剖面模型 图2 3 膜片联轴器的有限元网格 f i g 2 3f i n i t ee l e m e n tm e s ho fm e m b r a n ec o u p l i n g 2 膜片联轴器多体接触有限元分析 2 3 4 边界条件与求解设置 在完成对膜片联轴器的前处理后，需要对其进行边界条件的设置。本文在膜 片、法兰、联接环、传动轴及螺栓等接触区域采用三维面一面接触单元c o r 她1 7 4 和目标单元陆g e l 7 0 建立接触对，接触状态设为s t a n d a r d ，假设所有的材料模型 为理想的双线性，并根据材料设置相应的摩擦系数，摩擦类型为基本的库仑摩擦 模型f 4 6 】。采用p r e t s17 9 单元在螺杆处建立预紧单元，通过在预紧单元上施加预紧 力来模拟螺栓预紧过程。 膜片联轴器工作时所承受载荷主要有螺栓预紧力、扭矩以及离心力。膜片通 过外圈螺栓与法兰相联，通过内圈螺栓与中间轴相联，实现扭矩传递，螺栓预紧 过程可通过在螺栓上设置预紧单元并施加预紧力来模拟；联轴器扭矩可转化为切 向力的形式加载在法兰的右端；由于膜片联轴器各零件都是有质量的实体，离心 力载荷是由于膜片联轴器的高速旋转产生的，可通过设置角速度在软件中直接施 加。膜片联轴器的边界条件如图2 4 所示。 图2 4 膜片联轴器边界条件 f 培2 。4b o i n l d a 科c o n d i t i o n so fm e m b 啪ec o u p l i n g 在a n s y s 软件中，膜片联轴器的求解过程分两个载荷步进行。第一个载荷步 加载螺栓预紧力，第二个载荷步加载离心力和扭矩，并且在第二个载荷步中螺栓 预紧力设置为锁定状态。在求解设置选项里，打开自动时间步长，打开线性搜索 和预测器，增大每个子步中的平衡迭代次数，这样可以提高收敛速度。 重庆大学硕士学位论文 2 4 膜片联轴器接触有限元分析 考虑膜片联轴器实际工作状态下的螺栓预紧力、离心力、扭矩等载荷工况， 对膜片联轴器进行多体接触有限元分析，得到联轴器的综合位移、等效应力、接 触应力分布云图以及膜片组的等效应力、接触应力分布曲线。 第一载荷步的求解是为了模拟预紧工况。图2 5 给出了预紧后膜片联轴器的位 移云图部。由图可知，预紧完成后膜片联轴器的综合位移为o 4 3 1 m m ，最大值出 现在膜片联轴器外圈螺栓处；膜片组的综合位移为0 4 0 4 m m ，最大值出现在膜片 中部，由于预紧力作用，膜片中部出现弯曲现象。 ( a ) 整体 0 o 0 4 4 0 0 8 8 0 o 0 4 7 0 0 9 4 0 1 4 2 0 1 8 9 o 2 3 6 0 2 8 3 0 3 3 0 0 3 7 7 0 4 3 1 ( c ) 膜片组( 位移放大5 0 倍) 图2 5 预紧工况下膜片联轴器综合位移云图 f i g 2 5c o m p r e h e n s i v ed i s p l a c e m e n tc o n t o u ro fm e m b r a r l ec o u p l i n gu n d e rp r e l o a dc o n d i t i o n 图2 6 给出了预紧后膜片联轴器的等效应力云图。由图可知，预紧完成后膜片 联轴器的等效应力为3 4 5 m p a ，其最大值出现在内圈螺栓处；膜片组的等效应力为 8 5 2 m p a ，出现在第1 1 个膜片处。 o 7 4 2 9 6 3 o 7 1 凹 埔 撼 0 0 o 0 0 0 o o o 2 7 1 5 ” 舱 拍 o 0 0 0 i ii#i 9 3 3 如 弘 加 0 o o ( a ) 整体 o 3 7 8 7 5 5 1 1 3 0 1 5 1 0 1 8 9 0 i 2 2 7 0 ： 2 6 4 0 3 0 2 0 3 4 5 0 ( b ) l 4 剖面 1 5 1 0 6 1 9 8 2 8 9 3 8 1 4 7 3 5 6 4 6 5 6c 翟垂 ( c ) 应力最大膜片( 第1 1 个) 图2 6 预紧工况下膜片联轴器等效应力云图 f i g 2 6e q u i v a l e n ts t l e s sc o n t o u ro fm e m b r a l l ec o u p l i n g 吼d e r p r e l o a dc o n d i t i o n 图2 7 为膜片联轴器的接触应力云图。膜片联轴器接触应力最大值为2 5 5 m p a ， 出现在外圈螺栓与法兰之间的接触面上；膜片组接触应力最大值为4 4 m p a ，出现 在第1 0 个与第1 1 个膜片的接触面上。 ：。鞫 5 5 7 辇 8 3 5 自 1 1 1 o 冀 1 3 9 0 j ( a ) 整体 ( b ) 膜片组 图2 7 预紧工况下膜片联轴器接触应力云图 f i g 2 7c o n t a c ts t r e s sc o n t o u r0 fm e m b r a n ec o u p l i n gu n d e rp r e l o a dc o n d i t i o n 0 4 8 1 9 6 3 1 4 4 1 9 3 2 4 1 2 8 9 3 3 7 3 5 。8 4 4 o ，0_，i， i*0-j 0 6 2 o o 0 o o 0 o 7 5 3 0 8 6 3 2 5 3 7 1 5 8 2 6 0 4 0 ， n 巧 埔 控 拍 弘 拦 弦 重庆大学硕士学位论文 第二载荷步的求解是在预紧的基础上，考虑扭矩和离心力的作用。图2 8 给出 了膜片联轴器的综合位移云图。联轴器最大综合位移为0 7 1 0 m m ，出现在膜片联 轴器外圈螺栓处，这主要是预紧力和扭矩的联合作用的结果。由于外圈与内圈螺 栓组预紧力的作用，膜片受到挤压，膜片中部出现弯曲，膜片组最大综合位移出 现在膜片中部，其值为0 4 5 1 n 吼。 ( a ) 整体( b ) 1 4 剖面 o 0 0 5 0 0 5 3 0 1 0 2 ( c ) 膜片组( 位移放大5 0 倍) 图2 8 膜片联轴器综合位移云图 f i g 2 8c 0 m p r e h e i l s i v ed i s p l a c e m e n tc o n t o u ro fm e m b r a n ec o u p l i n g 0 0 0 7 8 o 1 5 5 图2 9 给出了膜片联轴器的等效应力云图。由图可知，联轴器最大等效应力为 3 6 2 m p a ，出现在外圈螺栓连接处，主要是由外圈螺栓组的预紧力引起，与螺母相 联的零件应力也较大。膜片组的最大等效应力为1 0 6 m p a ，出现在膜片与内圈螺栓 的接触区域，这是由于内圈螺栓组受切向力较大，且为铰制孔螺栓所致。膜片组 中最右端的膜片( 第1 1 个) 等效应力最大。 1 4 3 o 8 6 3 1 o n 弛铂副 酡 n o 0 0 o 0 0 0 o 8 5 3 1 8 6 4 1 o 叮 幅 m 粥 甜 眈 n o o 0 0 0 o 0 0 0 #：lt#il ly；y gi 1 o 8 7 6 5 1 坫 加 “凹 w 的 牾 o 0 0 o o o o ( a ) 整体 ( b ) 1 4 剖面 1 5 1 3 o 2 4 4 3 5 9 4 7 4 5 8 9 7 0 3 8 1 8 9 3 3 薹霪 10 6 o 羹 ( c ) 膜片( 第1 1 个) 图2 9 膜片联轴器等效应力云图 f i g 2 9e q u i v a l e n ts 仃e s sc o n t o u ro fm e m b r a n ec o u p l i n g 1 0 4 0 3 7 9 5 1 1 9 0 1 5 8 0 1 9 7 0 2 3 7 0 2 7 6 0 3 1 5 0 3 6 2 0 图2 1 0 为膜片联轴器接触应力云图。膜片联轴器接触应力最大值为2 5 4 m p a ， 膜片组之间接触应力最大值为4 4 1 m p a 。 ( a ) 整体接触应力 0 2 7 8 5 5 6 8 3 4 1 1 1 0 1 3 9 0 1 6 7 0 1 9 5 0 2 2 2 0 2 5 4 0 ( b ) 膜片间最大接触应力 图2 1 0 膜片联轴器接触应力云图 f i g 2 10c o n t a c ts t i l e s sc o n t o u ro fm e m b r a l l ec o u p l i n g 。习 l 1 4 5 ； 蒙 2 8 9 ； 黧i 4 4 1 ； 囊纛蓁蠢缀鬃淄簇|；鬻二1=：秘瓣羹 0 6 2 o 0 0 o 0 0 o 9 9 9 8 8 7 7 7 2 3 7 1 5 9 3 7 l 6 l 1 1， 3 3 重庆大学硕士学位论文 图2 1 l 和图2 1 2 分别给出了预紧力、扭矩和离心力作用下膜片组的等效应力 和膜片间接触应力分布曲线。由图可知，两端膜片等效应力较大，由于转速较高， 离心力对膜片应力影响较为明显。膜片组中最右端两膜片间的接触应力相对较大， 其它膜片间的接触应力分布较为均匀。 1 2 0 蛊1 0 0 蒌 的8 0 r 曩6 0 神 4 0 2 0 l234567891 01 1 膜片编号刀 图2 1 l 各膜片的等效应力分布曲线 f i g 2 ud i s t r i b u t i n gc u r v eo fe q u i v a l e n ts t r e s sb e t w e e nm e m b m e s 123456789l o 膜片接触面编号刀。 图2 1 2 各膜片的接触应力分布曲线 f i g 2 12d i s t r i b u t i n gc u eo fc o n t a c ts n e s sb e t 、v e e nm 啪b m e s 2 5 安装误差对膜片联轴器力学性能的影响分析 膜片联轴器不可避免地存在轴向偏离、角向不对中、径向不对中等安装误差， 下面分析各种安装误差对膜片联轴器力学性能的影响。膜片联轴器轴向误差舣。、 径向误差啦和角向误差能。，如图2 1 3 所示。 1 6 钙 们 铊 叭 罡鼍气r遐曩鲆 2 膜片联轴器多体接触有限元分析 臼，垦一 ( a ) 轴向误差 ( b ) 径向误差( c ) 角向误差 图2 1 3 膜片联轴器安装误差示意图 f i g 2 13i n s t a l l a t i o ne n 0 rs c h e m a t i cd i a g r 锄o fm e m b r a n ec o u p l i n g 2 5 1 轴向误差的影响 在存在轴向误差的情况下，分别取轴向误差为l i i 吼、2 i 衄、3 i i 皿，对膜片联 轴器进行有限元分析。表2 1 给出了轴向误差作用下的膜片联轴器综合位移和等效 应力的最大值，通过与无误差分析结果的比较可得，随着轴向误差的增大，膜片 联轴器的综合位移明显增大，而等效应力和接触应力基本不变。表2 2 为轴向误差 作用下膜片组综合位移和等效应力的最大值，随着轴向误差的增大，膜片组的综 合位移和膜片的等效应力都有增大的趋势，而对于膜片间的接触应力没有影响。 表2 1 轴向误差作用下膜片联轴器的位移和应力 t 抽l e2 1t h ed i