基于接觸理論的法蘭式液壓聯軸器結構強度分析

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(1.中國艦船研究設計中心，武漢 430064;2.華中科技大學 能源與動力工程學院，武漢 430074)

船用液壓聯軸器具有結構簡單、加工便利、裝拆方便等優點，可避免因采用鍵槽而對零件強度產生的削弱，且傳遞轉矩大、對中性好，目前在造船工業中得到了越來越廣泛的應用[1]。相對于西方國家，我國對液壓聯軸器技術的研究開始較晚。已開展的液壓聯軸器強度計算研究也以理論公式計算居多。隨著艦船軸系機械加工精度和性能要求的提高，在設計階段就需要獲得液壓聯軸器各種工作參數，以指導設計[2-3]。

1 液壓聯軸器工作原理

常用的液壓聯軸器一般分為套筒式和法蘭式，兩者工作原理相同。液壓聯軸器核心部件都由兩個鋼制套管組成，一個較厚的外套和一個較薄的內套，見圖1。內套外表面和外套內表面沿軸向具有相同的錐度。

圖1 液壓聯軸器結構組成

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，因接觸面間的幾何過盈配合致使外套、內套和傳動軸三者相互抱緊。工作時依靠過盈配合面間的摩擦力傳遞傳動軸的轉矩。

2 接觸基礎理論

接觸分析屬于強幾何非線性問題，在計算過程中會發生大量迭代。大多數接觸問題需要考慮摩擦，而摩擦使接觸問題的收斂性變得更加困難。一般接觸問題的求解是一個反復迭代的過程。首先，需要假定一種可能的接觸狀態，然后帶入定解條件，得到接觸點的接觸應力和應變，判斷是否滿足接觸條件。如果不滿足接觸條件，修改接觸點的狀態重新計算，直到所有接觸點滿足接觸條件為止。計算流程見圖2。

圖2 接觸計算流程

根據液壓聯軸器工作原理可知，液壓聯軸器工作狀態下存在多個面同時發生接觸的現象。因此，需采取合理的建模方法使接觸面間的接觸關系較快地建立起來，以保證計算的收斂性。具體方法包括：在建立接觸過程中施加臨時邊界條件；施加微小位移使接觸關系平緩建立；分步建立接觸關系等。

3 數值建模

3.1 幾何建模

以某型船用法蘭式液壓聯軸器為分析對象，對其結構強度進行研究。法蘭式液壓聯軸器幾何結構具有軸對稱特性，見圖3。

圖3 法蘭式液壓聯軸器幾何結構示意

為了提高計算精度，降低計算成本，采用軸對稱模型進行數值模擬。液壓聯軸器及傳動軸二維軸對稱幾何模型見圖4。

圖4 液壓聯軸器裝配體

由于采用軸對稱單元，節約了計算成本，建模時可以把聯軸器所有細節特征都精確建出，如聯軸器內、外套上的螺旋油槽、圓角等。

3.2 網格劃分

將法蘭式液壓聯軸器外套、內套及傳動軸二維幾何模型單獨進行有限元網格劃分。網格單元采用CGAX4二維軸對稱四邊形單元。網格劃分好后，再根據液壓聯軸器各部件之間的裝配關系，將外套、內套及傳動軸網格進行裝配。最終獲得液壓聯軸器裝配體二維有限元模型。整個計算模型單元數為48 268，節點數為49 670，見圖5。

圖5 液壓聯軸器二維有限元模型

3.3 邊界條件

對液壓聯軸器裝配過程及最大負載工況下的結構強度進行校核。因此，根據分析工況的不同，需定義不同的邊界條件。

1)裝配過程。裝配過程初始時刻，內外套剛剛發生接觸。約束軸和內套的軸向位移，外套內表面與內套外表面之間、內套內表面與軸之間定義接觸關系。在外套法蘭端面施加移動邊界，使其向內套大端移動到設計位置，共移動35 mm。為了使接觸平緩建立，每個分析步外套只移動1 mm。

在安裝過程中，內外套承受使內套收縮外套擴張的110 MPa徑向油壓和使外套發生軸向位移的20 MPa軸向油壓。在安裝過程中這些油壓以均布壓力作用在內外套的表面。

2)最大負載工況。該液壓聯軸器最大負載工況下，同時承受扭矩和軸向推力。計算模型中在外套與內套接觸面、內套與傳動軸接觸表面之間定義過盈配合關系。轉矩采用建立參考點的方法施加在軸端，軸向推力根據軸端面積等效為壓強作用在端面，且施加扭矩時固定外套法蘭面。

4 材料屬性及計算工況

液壓聯軸器各部件及傳動軸材料屬性見表1，裝配過程中的載荷為徑向油壓105 MPa，軸向油壓20 MPa。最大負載工況下軸系所傳遞的轉矩值為1 800 kN·m，軸向推力為700 kN。

表1 材料屬性

5 計算結果分析

5.1 裝配過程

液壓聯軸器裝配過程分析結果，見圖6、7。

圖6 液壓聯軸器裝配過程動態應力分析

圖7 裝配完成時外套內壁接觸壓強

由圖6可知，該液壓聯軸器在外套內孔法蘭端尖角處出現應力集中(只有局部幾個單元應力激增)，其余部位都達到了GJB3271—98的要求，即液壓聯軸器最大過盈時內外套的綜合應力不超過材料屈服極限的70%。

由圖7可見，外套與內套接觸時大部分區域壓強在100 MPa附近浮動，而兩端由于應力集中的影響造成壓強驟升。由于液壓聯軸器是通過外套內表面與內套外表面、內套內表面與軸外表面之間的摩擦來傳遞轉矩的。因此，要求上述接觸面之間滿足一定的接觸壓力，其分布規律對聯軸器轉矩的傳遞及傳遞效率高低都有很大影響。

5.2 最大負載工況

液壓聯軸器最大負載工況時計算結果見圖8。由圖8可見，該液壓聯軸器在最大負載工況下最大應力仍未達到材料的屈服極限，能保證軸系工作安全可靠。

圖8 最大負載工況時液壓聯軸器應力分布

6 結論

1)通過對液壓聯軸器裝配過程的仿真，發現該液壓聯軸器裝配完成后，在內外套的接觸邊緣即外套尖角處會產生應力集中現象。因此，在液壓聯軸器設計時，需充分考慮尖角等應力集中部位對其結構強度的影響。

2)對比裝配過程及最大負載工況時液壓聯軸器內外套應力分布可知，在裝配過程中產生的最大動應力要比最大負載工況時的應力大。因此，在進行液壓聯軸器設計時，對其裝配過程中的結構強度不應忽視。

[1] 陳 奇，劉志剛，張文平.液壓聯軸器外套自緊身有限元分析[J].哈爾濱工程大學學報，2004，25(3)：318-321.

[2] 許定奇.過盈聯結的設計、計算與裝置[M].北京：中國計量出版社，1992.

[3] 陳道禮.過盈聯接的有限元分析[J].機械設計，2004(2)：46-48.