基于Midas NFX的某磁電機沖擊聯軸器的有限元分析

朱新宇，王威風，李寶國

（中國民用航空飛行學院航空工程學院，四川 廣漢618307）

基于Midas NFX的某磁電機沖擊聯軸器的有限元分析

朱新宇，王威風，李寶國

（中國民用航空飛行學院航空工程學院，四川 廣漢618307）

應用有限元法對某磁電機沖擊聯軸器進行仿真分析，在CATIA中建立了沖擊聯軸器的三維實體模型，利用Midas NFX建立了沖擊聯軸器的有限元模型，并對其進行了線性靜態分析，得到了沖擊聯軸器各組件在工作狀態下的強度值和變形情況，為后續的故障分析提供了理論依據。

沖擊聯軸器；Midas NFX；靜態分析

現代活塞發動機的磁電機傳動軸上通常裝有沖擊聯軸器。在發動機啟動時，沖擊聯軸器可以使磁電機獲得一個短暫的加速，進而產生強烈的電火花，保證電嘴能夠正常點火。在工作情況下，由于內部頻繁的碰撞作用，沖擊聯軸器可能會出現飛重塊過臟或被磁化、拉力板損壞等故障，如圖1所示。沖擊聯軸器故障會導致發動機啟動性能變差、無法啟動，甚至發動機空中停車。因此，對沖擊聯軸器的研究顯得十分重要。近年來，隨著計算機輔助工程技術的發展，有限元法在機械領域得到了廣泛應用，并取得了很好的效果［1］。

圖1　沖擊聯軸器部分組件故障圖

本文以Slick公司生產的4300系列磁電機沖擊聯軸器為研究對象，使用有限元軟件Midas NFX作為分析工具，進行線性靜態分析，得到了該型號沖擊聯軸器在工作條件下的應力分布與變形情況，為以后分析其故障原因提供了依據。

1　沖擊聯軸器的三維建模

Slick 4300系列磁電機沖擊聯軸器主要由上、下兩部分構成。其中，上半部分由主動盤、彈簧組成；下半部分由被動盤、拉力板、飛重塊、墊片、銷軸組成。附件傳動齒輪帶動主動盤旋轉，使彈簧旋緊，從而為被動盤提供載荷，被動盤在飛重塊的作用下為磁電機提供加速［2］。

為了減少計算量、提高計算效率，考慮到聯軸器上半部分在實際工作中僅為下半部分的運動提供扭矩這一因素，本文對總的實體模型做出了相應簡化，主要對聯軸器下半部分進行建模。利用三維建模軟件CATIA建立了該部分的實體模型，如圖2所示。

圖2　沖擊聯軸器部分實體模型

2　沖擊聯軸器的有限元模型

2.1材料的力學特性

沖擊聯軸器的下半部分各個組件主要由合金鋼材料制成，所用合金鋼的力學參數如下：彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.28，質量密度ρ=7 700 kg/m3，屈服強度σs=724 MPa.

2.2網格的劃分

在有限元分析時，網格質量是極其重要的因素，它直接影響到計算的穩定性、計算量和計算的精度。因此，在網格劃分時，要注意以下問題：

（1）盡量避免采用小單元；

（2）單元大小要均勻過渡，單元尺寸要依照循序漸變的原則，以免相鄰的單元相差懸殊，造成單元畸形，影響計算精度［3-4］。

該沖擊聯軸器的空間結構比較復雜，且組件尺寸大小不一，表1列舉了各組件的最小結構尺寸。

表1　沖擊聯軸器部分組件最小尺寸表

網格的數量直接影響到計算結果的精度以及計算的時間量，因此網格劃分應遵循“均勻應力區粗化，應力梯度大的區域細化”的原則，對于具體模型應該具體區別對待［5］。一般來說，網格劃分得越細，質量越高，計算精度就越高。但是網格劃分得越細，計算量就越大，其時間成本等就會增加［6］。綜合考慮，以墊片尺寸為網格大小，使用Midas NFX軟件自帶的Mesh tool工具，采用四面體四節點單元作為主要的離散單元，對沖擊聯軸器進行網格自動劃分，對結構尺寸變化較大、可能出現應力集中的部位進行手動網格細化。離散后的沖擊聯軸器有限元模型共有節點數為572 091，單元數為383 620，如圖3所示。經過測量，網格的雅可比數值為0.801，滿足分析要求。

圖3　沖擊聯軸器部分組件網格模型

2.3約束和載荷的處理

在工作過程中，整個被動盤被螺栓和鍵固定在磁電機軸上，飛重塊被磁電機前端的圓柱擋釘暫時固定。在電嘴點火之前，主動盤轉速較低，彈簧蓄能較少，被動盤受到的載荷最??；當電嘴能夠正常點火時，主動盤轉速較高，彈簧蓄能最多，被動盤受到的載荷最大。這時，沖擊聯軸器也最容易發生故障。本文選擇在被動盤受到最大載荷時對沖擊聯軸器進行分析，將作用在被動盤上的彈簧載荷簡化為等效扭矩加在被動盤的相應部位上，施加的約束和扭矩如圖4所示。

圖4　沖擊聯軸器的約束和載荷

等效扭矩公式為：

式中，E為材料的彈性模量，d為彈簧的直徑，φ為彈簧的扭轉角度，D為彈簧的中徑，n為彈簧的有效圈數。根據上面公式，計算得被動盤上所受的等效扭矩為97 N·mm.為運算方便，取等效扭矩T=100 N·mm.

3　沖擊聯軸器的有限元分析

通過線性靜態分析，可以得到沖擊聯軸器部分組件在最大載荷下的變形及應力的分布規律，其強度也可由應力和變形的情況來確定［7-8］。利用Midas NFX軟件，對沖擊聯軸器進行線性靜態分析，得出在100 N·mm的扭矩作用下沖擊聯軸器部分組件的總體位移和馮米塞斯應力云圖，如圖5所示。

（續下圖）

圖5　沖擊聯軸器部分組件在100 N·mm的扭矩作用下的分析結果圖

根據有限元分析結果，得到沖擊聯軸器各組件的最大應力值和最大位移，如表2所示。從應力來看，沖擊聯軸器的最大應力值為185.6 MPa，發生在墊片處。其它區域的應力值也都比較小，遠小于合金鋼的屈服極限724 MPa.沖擊聯軸器的強度安全系數為n=σs/σmas=724/185.6≈4，遠大于1，說明沖擊聯軸器的強度滿足要求。

表2　沖擊聯軸器部分組件的靜力分析結果

從位移來看，沖擊聯軸器的最大位移為0.0126 mm，發生在飛重塊處。其次為被動盤和拉力板，為0.0098 mm.銷軸和墊片的變形較小。而由沖擊聯軸器在縱軸方向上的位移云圖（見圖6）可知，被動盤和拉力板在銷軸結合處的位移較大，達到0.009 2 mm.在沖擊聯軸器工作中，扭矩的作用是反復循環的。而此處，拉力板的最大應力值比被動盤的大。長此以往，拉力板勢必會因疲勞而先于被動盤損壞。這與實際情況符合，說明分析結果比較合理。

4　結束語

本文通過對沖擊聯軸器進行三維實體建模、有限元網格劃分，建立了以四面體四節點單元為基本單元的沖擊聯軸器有限元分析模型，并對其進行了線性靜態分析，得到如下結論：

（1）Midas NFX軟件能夠很好地模擬沖擊聯軸器工作時的應力與變形狀況，計算精度比較高；

（2）沖擊聯軸器各組件的最大應力值遠小于材料的許用應力值，強度滿足使用要求，且具有較大的強度儲備；

（3）沖擊聯軸器的整體變形很小，各組件的變形趨勢和實際工作比較吻合，模型可以用于動力學分析；

（4）沖擊聯軸器拉力板與銷軸結合的部位存在一定的安全隱患，在設計上需要進行強化。長時間使用后，要注意觀察拉力板表面變化情況。

［1］徐海港，周慎杰，孫剛.農用運輸車車架數字模擬與靜動態分析技術［J］.農業裝備與車輛工程，2007，（6）:48-50.

［2］唐慶如.活塞發動機［M］.北京：兵器工業出版社，2007.

［3］王勖成.有限元法［M］.北京：清華大學出版社，2003.

［4］劉吉明，雷剛，廖林清，等.車門靜態剛度的有限元分析［J］.重慶工學院學報（自然科學版），2008，22（9）:25-27，35.

［5］顧祥軍，張維強.基于ANSYS的剪板機機架有限元分析［J］.科學技術與工程，2010，10（2）:476-478，494.

［6］張孝瓊，張維強.半掛車車架主縱梁的有限元分析［J］.科學技術與工程，2009，9（4）:1068-1071.

［7］吳百朋，趙棟杰，楚曉華.基于有限元法的車架性能仿真分析［J］.農業裝備與車輛工程，2010，（4）:28-30.

［8］馬廣，黃東明，王志明.農用三輪車車架結構靜動態特性仿真分析［J］.浙江大學學報（農業與生命科學版），2007，33 （5）:562-567.

圖6　沖擊聯軸器部分組件在縱軸方向上的位移云圖

Analysis for the Impulse Coupling of a Type of Magneto based on Midas NFX

ZHU Xin-yu，WANG Wei-feng，LI Bao-guo
（Aviation Engineering Institute，Civil Aviation Flight University，Guanghan Sichuan 618307，China）

The finite element method is used for simulation analysis on the impulse coupling of a type of magneto，a three dimensional solid model is established by the software of CATIA.Using the Midas NFX software，a finite element model of the impulse coupling is also established，and the linear static analysis is performed.And then the intensity value and the deformation of the components of the impulse coupling under the working condition were obtained，which provides a theoretical reference for the subsequent fault analysis.

the impulse coupling；midas NFX；the linear static

V233.3.27

A

1672-545X（2016）07-0042-03

2016-04-08

項目資助：中國民用航空飛行學院科研基金學生科技活動基金項目（X2014-10）

朱新宇（1969-），男，河北滄州人，教授，研究方向：飛行器故障診斷與預測、飛機電源系統設計與優化；王威風（1988-），男，河南商丘人，碩士生，研究方向：民用航空器維修理論與技術。