復(fù)合材料薄片的靜動態(tài)性能分析

周新光 王理（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730060）

復(fù)合材料薄片的靜動態(tài)性能分析

周新光 王理（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730060）

利用ANSYS8.0軟件對復(fù)合材料傳動薄片進(jìn)行了有限元仿真分析，并進(jìn)行靜動態(tài)應(yīng)力計算，得出薄片中螺栓孔周邊應(yīng)力、應(yīng)變沿路徑分布的狀態(tài)及變化規(guī)律，其結(jié)果對傳動薄片疲勞壽命計算提供了可借鑒的方法。

傳動薄片；有限元法；復(fù)合材料；應(yīng)力云圖

機(jī)械傳動的主要部件聯(lián)軸器，即主動機(jī)和從動機(jī)之間的連接件，主要由兩端法蘭盤、中間節(jié)和傳動薄片組成。而薄片是傳遞動力的關(guān)鍵。目前國內(nèi)外市場上的傳動薄片材料主要由多片不銹鋼片制成。在化工行業(yè)中，聯(lián)軸器的傳動薄片在實際工作中受到化工生產(chǎn)環(huán)境的不利影響。如復(fù)雜氣體（酸、堿、鹽等）的不斷侵蝕，造成薄片在交變載荷作用下，極易發(fā)生疲勞斷裂破壞，從而使薄片壽命大大降低［1～2］。本文從改變薄片材料性能的角度出發(fā)，將多層金屬薄片研制改為復(fù)合材料。并用ANSYS8.0軟件分析靜、動態(tài)應(yīng)力的變化規(guī)律，從中研究比較薄片在不同材料下的影響因素，給復(fù)合材料傳動薄片提供一個更全面的設(shè)計依據(jù)。

1　薄片的力學(xué)模型

將八孔復(fù)合材料圓環(huán)薄片分割成四部分，取其中一部分作為研究對象，如圖1所示，進(jìn)行應(yīng)力分析［3～4］。因復(fù)合材料薄片是一個圓環(huán)整體，所以無片間相對運(yùn)動引起的誤差。在薄片周邊截面上可進(jìn)行約束固定處理。螺栓孔處可根據(jù)不同情況給定工作參數(shù)，確定軸向位移，固定徑向位移。薄片內(nèi)外邊緣自由，小孔內(nèi)邊緣采用剛性加固處理。

根據(jù)實際工況存在四種應(yīng)力：

（1）安裝誤差引起的軸向彎曲應(yīng)力 安裝誤差使薄片沿軸線方向發(fā)生彎曲變形，該變形位移加載在螺栓孔處的軸線方向上，可假定徑向位移和軸向位移不變。

圖1　模型簡化

（2）安裝誤差引起的角向彎曲應(yīng)力 由于在軸線角向的誤差，使薄片沿軸線方向產(chǎn)生角向彎曲變形，此變形在薄片應(yīng)力分析中十分重要，也是疲勞壽命的主要因素。螺栓孔在軸線上的位移量可根據(jù)角向偏差計算，固定軸向位移和徑向位移。

（3）慣性力造成的離心應(yīng)力 高速旋轉(zhuǎn)中的傳動薄片所產(chǎn)生的慣性力在結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計算中十分重要。可按f=（2πn/60）2rρ加載計算，方向沿徑向向外。圓環(huán)周圍假定無其他載荷作用，固定螺栓孔其他方向上的位移量。

（4）扭矩產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力 將扭曲造成的扭矩T，即產(chǎn)生的力平均分布給四個螺栓孔上， P=Tr/4，該力沿圓周作用于螺栓孔一側(cè)的中部，固定軸向和徑向位移。

2　圓環(huán)四分之一處的有限元模型

由于所取研究對象為復(fù)合材料的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，根據(jù)薄片的力學(xué)模型簡化，可在ANSYS8.0中創(chuàng)建實體 模型。采用線性、層狀復(fù)合殼單元。如SHELL89進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，生成了有限元模型［5］。對復(fù)合材料薄片的研究是在宏觀結(jié)構(gòu)尺寸上組成新的材料為依據(jù)，所以薄片各層間材料的參數(shù)與整體復(fù)合材料的參數(shù)有直接關(guān)系，8.0軟件的計算是以整體復(fù)合材料為研究對象進(jìn)行的。復(fù)合材料具有很好的比剛性和比強(qiáng)性（彈性模量與質(zhì)量之比、強(qiáng)度與質(zhì)量之比）。聯(lián)軸器中的薄片，在實際工作中它與主動軸、從動軸和中間節(jié)的法蘭相連，并用多個螺栓通過小孔加以固定，所以采用剛性域處理。邊界條件和載荷可按簡化的力學(xué)模型給出。ANSYS8.0自動生成有限元模型，節(jié)點(diǎn)數(shù)為718、單元數(shù)836，在螺栓孔周圍應(yīng)力梯度較大，單元小、節(jié)點(diǎn)密。遠(yuǎn)離螺栓孔處，應(yīng)力比較緩，單元大、節(jié)點(diǎn)疏，如圖示3、4 。節(jié)點(diǎn)編碼在不同計算流程中可能存在較小差異，但不影響靜動態(tài)應(yīng)力的計算分析。

圖2　整體有限元模型圖 圖3 中間孔附近有限元模型圖

3　復(fù)合圓環(huán)薄片的應(yīng)力分析計算

（1）結(jié)構(gòu)尺寸和工作參數(shù) ①單個薄片的結(jié)構(gòu)是非金屬和金屬材料復(fù)合制成，厚度1mm。②圓環(huán)外徑280mm，內(nèi)徑200mm，螺栓孔八個，孔徑20mm。③功率380kw，轉(zhuǎn)速3000r/ min。④安裝誤差要求：偏轉(zhuǎn)角［α］ =2°，軸向位移［X］=3m。

（2）應(yīng)力計算 ①靜態(tài)應(yīng)力計算。通過ANSYS8.0軟件計算流程，可得到各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布云圖和應(yīng)力數(shù)值。在這里給出了因軸向安裝誤差、離心慣性和扭矩三種情況同時發(fā)生時引起的總平均應(yīng)力計算結(jié)果，并繪制出薄片的變形圖4和應(yīng)力云圖5。由于三種載荷共同作用于結(jié)構(gòu)中引起的應(yīng)力不具有對稱性，所以這里給出了各種應(yīng)力薄片的應(yīng)力云圖。從應(yīng)力云圖中可看出，最大應(yīng)力σ1發(fā)生在小孔圓周上中部偏下部位，應(yīng)力值110.34MPa，節(jié)點(diǎn)號73。最大的Misas應(yīng)力σsq同樣在小孔圓周上中部偏下部位，應(yīng)力值98.23MPa，節(jié)點(diǎn)號273。

圖4　三種組合引起的變形圖

圖5　三種組合引起的應(yīng)力云圖s1

②安裝誤差引起的角向彎曲動態(tài)應(yīng)力分析。從角向彎曲應(yīng)力云圖6、7可以看出最大應(yīng)力σ1發(fā)生在小孔圓周連接的上中部偏下處，應(yīng)力值42.52MPa，節(jié)點(diǎn)號231，最大的Misas應(yīng)力σsq同樣發(fā)生在該點(diǎn)，應(yīng)力值37.23MPa。分析可知該點(diǎn)是薄片結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞的危險點(diǎn)之一。

③最危險性能分析。從ANSYS8.0應(yīng)力分布云圖靜動態(tài)節(jié)點(diǎn)數(shù)值分析比較，各項靜態(tài)組合、角向動態(tài)應(yīng)力的最大值及所處的位置如下表所示。

表1　靜態(tài)組合 、角向動態(tài)的最大應(yīng)力值

通過表中應(yīng)力值和所處位置的分析，最危險的應(yīng)力點(diǎn)在小孔內(nèi)邊緣中部處，這個結(jié)果與復(fù)合薄片在實驗室傳動臺架上強(qiáng)制疲勞試驗結(jié)果吻合，也與金屬薄片在實際使用中所見斷裂失效破壞形式一致。

圖6　角向彎曲應(yīng)力變化s1

圖7　角向彎曲應(yīng)力mises

4　結(jié)語

通過分析計算復(fù)合材料薄片的性能，決定其結(jié)構(gòu)壽命的主要因素有靜態(tài)平均應(yīng)力和動態(tài)應(yīng)力幅兩個方面，而應(yīng)力幅是指動態(tài)應(yīng)力角向位移引起的彎曲應(yīng)力幅，影響比較大的是應(yīng)力幅的數(shù)值［6］。平均應(yīng)力是指離心應(yīng)力、薄膜應(yīng)力和軸向偏差應(yīng)力的組和應(yīng)力。在實際工況中，安裝誤差的調(diào)整、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化等均對壽命產(chǎn)生明顯影響。另外復(fù)合材料的制造工藝缺陷也會影響其壽命。為了減少靜、動態(tài)應(yīng)力，從傳動薄片的受力角度看，應(yīng)盡可能減少安裝誤差，從而減少角向和軸向誤差。從薄片結(jié)構(gòu)形狀上看，可采用復(fù)合材料的柔性特點(diǎn)，將圓環(huán)形狀制作成束腰型，這樣可大大減少彎曲應(yīng)力，從而提高疲勞強(qiáng)度，延長有效工作壽命。

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The analysis of the static and dynamic properties of the composite sheet

Zhou Xin-guang Wang Li (LanZhou Petrochemical Vocation College of Technology ,LanZhou , 730060,Gansu ,China)

Finite element simulation analysis on composite drive diaphragm using ANSYS8.0 software and calculation of the static/dynamic stress, obtain the stress/strain state and variation distributed along the path around the bolt holes on sheet,the result provides a reference method for fatigue life calculation of transmission sheet.

transmission sheetfi nite element method; composite; stress nephogram