膜片联轴器结构力学仿真分析

随着现代装备制造技术的高速发展，对膜片联轴器的要求也越来越高。泊头市鑫程机械公司生产的膜片联轴器是由几组膜片用螺栓交错地与两半联轴器联接，每组膜片由数片叠集而成。膜片联轴器靠膜片的弹性变形来补偿所联两轴的相对位移，是一种的金属元件挠性联轴器，不用润油，结构较紧凑，，使用寿命长，无旋转间隙，不受温度和油污影响，具有耐酸、耐碱的特点，适用于高温、高速、有腐蚀介质工况环境的轴系传动。

2联轴器有限元模型的建立

    膜片联轴器的三维模型是运用Pro/F:软件建立的，根据模型的特点，需要对联轴器模型进行合理的简化。包括忽略各处的螺纹，以及忽略大多数的圆角，简化后的几何模型，如图1所示。然后通过IGES文件格式，将其导入到ANSYS软件中。选用SMOOTH选项对于输人ICES文件进行处理，并采用SWEEP对模型进行网格划分。通过上述建模方法，可以省去大量的建模时间，而且建立的几何模型接近实体。

    为了提高仿真计算的精度，需采用六面体单元，即采用SOLID45单元来模拟整个联轴器模型。在发生接触的各个面都设置相应的接触单元，分别用Targe170来模拟目标面，用Conta 174来模拟接触面，并将罚刚度比例系数FKN设为1，将拉格朗日乘子侵人比例系数设为0.3。联轴器材料参数:钢结构件弹性模量E=210000MPa，泊松比v=0.29，密度p=7.9x 10g/mm3;膜材料材的弹性模量E=160000MPa，泊松比v=0.28，密度p=1.6x 10g/mm'，屈服应力860MPa，硬度参数K=910MPa，硬度指数n=0.6. 3静力学仿真分析

    在对结构进行静力分析时，根据圣维南理论，可以用等效集中载荷代替静力分布载荷添加在模型上，这种处理方法对整个结构的性能影响可以忽略不计。在工作平面的坐标原点处建立局部柱坐标系，并将模型中的所有节点都转移到该坐标系中。将一端面端面定义全自由度约束，在另一端质心处施加(0-1000)Nm的扭矩载荷。仿真计算后结果，如图2一图4所示。从图2可以看出，联轴器的变形区域主要集中在圆盘外边缘、和螺栓上，变形形式主要是径向膨胀，这主要是由离心力引起的。整体结构应力分布较均匀，而大应力分布在联轴器的受力端部。由图3可知，由于离心力的作用，螺栓件的外边缘变形较大;螺栓与膜片接触的区域大部分的应力值月为100MPa，大应力值在107MPa以上。由应力云图可知该膜片联轴器的主要失效形式是螺螺栓件被压溃或剪断。因此、在螺栓的选型时，应大应力要求。由图4可知，膜片的大变形发生在与螺栓接触的区域，而且整体变形比较均匀。膜片大应力为123.227 MPa，发生在与螺栓接触地方，整体应力分布均匀。

4整体结构模态分析

    膜片联轴器在工作过程中，会受到来自传动系统振动引起的激励。当这些外界激励与联轴器系统固有频率接近时，将产生共振现象。为了避免共振产生，需对联轴器进行模态分析，确定结构的固有频率，从而为系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。在模态分析中，的约束和载荷是零位移约束，其他载荷可以在模态分析中指定，但在模态提取时将被忽略。考虑到联轴器绕轴旋转，所以

在联轴器有限元模型的两端面施加全自由度约束。由于联轴器系统较低的几阶固有频率对其动态响应的影响大，因此在分析中只需了解前几阶固有频率。利用ANSYS中Block Lanczos方法，求解联轴器前5阶的固有频率和相应振型，如图5所示。在仿真的过程中可以看出，联轴器的振动主要集中在膜片上，振动形式与振幅大小主要取决膜片的弹性特性。该型膜片联轴器主要用于发动机与减速器的连接，当发动机引起的激振频率与联轴

器的固有频率相同时，就会造成共振现象的发生。

    采用单缸4冲程柴油发动机作为激振源，该发动机的怠速转速为600转Z分，高转速为2500转汾。通过计算可得该发动机的点火激振频率为5Hz，高转速时引起的激振频率为20.83Hz。通过对联轴器自由模态的仿真计算，可知联轴器前五阶固有频率范围为(4334-7114)Hz，避开了发动机的激振频率。还采用窄带白噪声果((0-150)Hz激振法对物理样机进行测试，并采用DP16型信号采集处理系统对联轴器系统进行共振点测试，联轴器频谱图，如图6所示。从图中可得联轴器共振频率为15Hz和125Hz，说明在仿真计算的(4334-7114)Hz范围内没有共振点，从而说明了仿真模型正确性和联轴器方案设计的合理性。

5结论

    通过对膜片联轴器整体结构力学分析，该联轴器的应力分布、变形结果和固有频率，并采用窄带白噪声激振法对物理样机进行测试。结果表明仿真计算结果与测试结果相吻合，从而说明了仿真结果的性和联轴器结构设计的合理性。