基于ANSYS的凸緣聯(lián)軸器的受力分析

由于凸緣聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單,制造容易,徑向尺寸小,成本低所以在國民經(jīng)濟及其他領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。作為旋轉(zhuǎn)機械機構(gòu),并且由于制造和安裝的誤差,導(dǎo)致凸 緣聯(lián)軸器成為整個系統(tǒng)中的易損零件。因此非常有必要對凸緣聯(lián)軸器進行結(jié)構(gòu)受力分析,從內(nèi)部找出其故障的機理,從而為凸緣聯(lián)軸器的設(shè)計提供一定的理論依據(jù)。
   
一、凸緣聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)特點
   
    凸緣聯(lián)軸器是一種應(yīng)用最廣的剛性聯(lián)軸器,有兩個半聯(lián)軸器及連接螺栓組成。凸緣聯(lián)軸器有兩種對中方法,一種是用一半聯(lián)軸器上的凸榫頭與另一半聯(lián)軸器上的凹榫槽相配對中;另一種是用鉸制孔用螺栓對中。此種聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可傳遞較大的轉(zhuǎn)矩。
   
    本文研究的就是上面說的鉸制孔用螺栓對中的凸緣聯(lián)軸器。首先在三維制圖軟件proe建造鉸制孔用螺栓對中的凸緣聯(lián)軸器,如圖1所示。半聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。
 

        圖1 在Proe中建造鉸制孔用螺栓對中的凸緣聯(lián)軸器   

    圖2 半聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)尺寸
   

    由上圖可以知道半聯(lián)軸器外環(huán)上有4個直徑為12mm的小圓孔,半聯(lián)軸器的外環(huán)直徑是120mm,內(nèi)環(huán)直徑是30mm也就是和直徑為30mm的軸配合使用。 已知聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)速為8000r/min,傳遞功率335kw 。下面利用有限元分析方法分別計算在旋轉(zhuǎn)過程中的離心力、傳動螺栓的切向力等情況下聯(lián)軸器的應(yīng)力分布情況。   

二、分析過程   

    1.有限元模型的建立
   
    在三維制圖軟件Proe中,已經(jīng)設(shè)計好符合國家標準的凸緣聯(lián)軸器模型,見上圖1。由于兩個半聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)完全一樣,因此,我們僅對一個半聯(lián)軸器進行分析。通過Proe和ANSYS的接口如圖3所示,把建造的半聯(lián)軸器導(dǎo)入到ANSYS中見圖4。

    圖3 Proe和ANSYS的接口
   

    
    圖4 將半聯(lián)軸器導(dǎo)入到ANSYS中
   

    設(shè)置分析類型為結(jié)構(gòu)分析,定義單元類型為Solid45(該單元用于構(gòu)造三維實體結(jié)構(gòu)。單元通過8個節(jié)點來定義,每個節(jié)點有3個沿著xyz方向平移的自由 度。單元具有塑性,蠕變,膨脹,應(yīng)力強化,大變形和大應(yīng)變能力)。定義材料的彈性模量、泊松比和密度。網(wǎng)格劃分采用網(wǎng)格劃分工具,在網(wǎng)格劃分工具中設(shè)置單 元的屬性和劃分單元的長度。選擇自適應(yīng)網(wǎng)格劃分的方式,設(shè)置智能劃分的數(shù)值為6。劃分的結(jié)果見圖5,從圖上可以看出,對于容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置,網(wǎng)格都 劃分的比較細,能夠保證分析的精度。

圖5 網(wǎng)格劃分的結(jié)果
   

    2.在扭矩作用下半聯(lián)軸器的變形和應(yīng)力
   
    本文所分析的凸緣聯(lián)軸器是通過半聯(lián)軸器上的4個鉸接孔用螺栓將扭矩從一端傳到另一端。分析時,以四個螺孔同一側(cè)的半個面固定,在鍵槽的一個面上施加力。已 知功率P為355kw,轉(zhuǎn)矩為400 N/m,配合的軸的直徑為30mm。有限元分析的結(jié)果如圖6。從圖6上我們可以發(fā)現(xiàn),在轉(zhuǎn)矩為400 N/m時,半聯(lián)軸器的最大位移為0.007914mm,最大位移發(fā)生在鍵槽出;最大應(yīng)力也出現(xiàn)在鍵槽處,所得結(jié)果與實際情況相符合。

圖6 有限元分析的結(jié)果

    3.半聯(lián)軸器的離心力分析   

    根據(jù)半凸緣聯(lián)軸器的工作情況及其約束條件為軸孔心軸向和周向約束而徑向放開。因此在離心力的作用下,限制軸孔的周向和軸向位移,然后施加慣性載荷即角速 度,并進行分析。已知條件為轉(zhuǎn)速8000r/min,轉(zhuǎn)化成角速度,即N=2π×800/60,此時半聯(lián)軸器所受的外載荷只有繞Y軸的角速度。分析結(jié)果如 圖7、圖8。圖7是半聯(lián)軸器在額定轉(zhuǎn)速下,各部分的位移情況,從圖上我們可以知道最大位移是0.001364mm,產(chǎn)生最大位移的位置在半聯(lián)軸器內(nèi)測。圖 8是各部分的應(yīng)力情況,從圖上我們可以知道最大應(yīng)力為16MPa,遠小于材料的屈服應(yīng)力。

圖7 半聯(lián)軸器在額定轉(zhuǎn)速下的位移情況

    

圖8  各部分的應(yīng)力情況

三、結(jié)語
   
    本文利用大型通用分析程序ANSYS 以半凸緣聯(lián)軸器為例,分析了凸緣聯(lián)軸器在受扭轉(zhuǎn)載荷與高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力載荷時的應(yīng)力與應(yīng)變分布分布情況。從上面的分析數(shù)據(jù)中,我們可以知道該聯(lián)軸器在正常工作時它的應(yīng)力和應(yīng)變都在允許的范圍內(nèi),所以設(shè)計合理。