复合材料联轴器膜片的应力分析.pdf

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1、第37卷第3期化工机械343复合材料联轴器膜片的应力分析+周新光“王理(兰州石化职业技术学院)摘要用ANSYS有限元程序对复合材料联轴器中圆环式膜片进行了应力分析，给出了膜片中存在的4种应力的计算结果，并分析比较了应力对复合膜片疲劳寿命的影响。其结果对复合材料膜片疲劳寿命的计算提供了参考。关键词膜片联轴器复合材料疲劳寿命应力分析中图分类号TQ050．4+3文献标识码A文章编号0254-6094(2010)03-0343-05膜片联轴器主要是由膜片组件、法兰盘、两端轴、中间轴和连接螺栓组成的传动装置。目前常用金属膜片结构，但在实际工作中会受到化工生产环境的影响，加速膜片的

2、断裂破坏，减少其使用寿命。国内外学者运用传统的材料力学方法l卜副和现代设计方法(有限元和优化设计)H棚1致力于金属膜片应力和寿命分析。笔者用ANSYS有限元程序计算。f复合材料膜片中的4种应力(薄膜应力、惯性应力、轴向应力和角向弯曲应力)，并分析了复合材料膜片危险应力出现的位置和解决措施，给设计复合材料膜片联轴器提供一个更全面、合理的依据。1力学模型简化取复合膜片的1／4(图1)进行应力分析计算，不计各膜片问微小的相对运动所产生的表面剪切和积压，认为外载荷平均分布在6组膜片中，每片承受其中的l／6，不考虑横向振动产生的相对较小的惯性应力。图1模型简化图在取出的l／4膜片

3、边缘截面上采用固定约束处理；中I’日J螺栓孑L处根据不同工况分别固定径向位移并根据工作参数给定轴向位移；小孔边缘采用刚性域(加固)处理。膜片内外环边自由。具体计算工况町分为4种情况。1。1转矩产生的薄膜应力一侧转矩F产生的力平均分布在4个间隔相同的螺栓孔上，P=1"／(4r)在所取的1／4膜片上，该力沿周向作用于中间螺栓孔一侧中部，固定径向位移和轴向位移。1．2离心惯性力产生的离心惯性应力高转速机械的离心惯性力在结构的应力计算中十分重要，该联轴器的转速为儿=2960r／min，其离心惯性力可以按径向力f=(2霄n／60)2巾加载，方向沿径向向外，固定中间螺栓孔的径向位移

4、、周向位移和轴向位移，周边无其他载倚作用。1．3轴向安装误差引起的弯曲应力由于轴线方向的实际安装误差，膜片沿轴线方向发堆弯曲变形，当轴向位移偏差较大时，该弯曲变形产生的应力在膜片的应力分析中十分重要。计算时按技术要求给定轴向位移偏差为[x]=2．8mm，中间轴两侧分别为1．4mm，该位移加载在中间螺栓孔处的轴线方向，径向位移和轴向·甘肃省兰州I仃基金资助项目(2009一I-130)。··周新光，男，1959年5月生，高级工程师。甘肃省兰州市，730060。化工机械2010矩位移固定。1．4角向安装误差引起的弯曲应力(周期性应力)由于轴线角向的实际安装误差，膜片沿轴线方向

5、发生周期性弯曲变形，当角向位移偏差较大时，该弯曲变形产生的应力在膜片的应力分析中十分莺要，而且它是决定膜片疲劳寿命的主要因素。计算时按技术要求给定角向位移偏差[a]=20，中间轴两侧分别为lo，根据角向偏差计算所引起的中间螺栓孔一周在轴线方向的(沿径向线性变化)位移，径向位移和轴向位移固定。21／4膜片的有限元模型根据简化的力学模型，在ANSYS软件中建立实体模型。由于分析对象为复合型材料，因此采用线性、层状的复合结构壳单元SHELLLiearLay—er99进行有限元网格划分，生成有限元模型。因以复合结构进行研究时是以在宏观尺寸卜整体组成的新材料为依据，故复合材料参数

6、与各层材料的定义参数有直接关系，ANSYS计算结果也是以复合材料整体为对象进行的。复合材料具有很高的比强性(强度／质量)和比刚性(模量／质量)。由于实际工作时联与轴器膜片在螺栓孑L周边与法兰相连而得到加固，因此采用刚性域处理。边界条件和载荷按简化的力学模型给出。ANSYS自动生成的有限元模型结点数为2713，单元数为835。有限元网格的划分情况和节点编码如图2、3所示，在不同的计算流程中节点编码上可能存在微小差异，它并不影响应力的计算和分析，结果分析可根据对应点在模型中的具体位置(坐标)来确定。图2整体有限元模型图3中间孔附近有限元模型3圆环式膜片的实例应力分析3．1技

7、术参数单个膜片的结构尺寸如图4所示。复合膜片共有6组；功率P=400kW，转速n=2960r／min；允许的偏转角[a]=2。，允许轴向位移[x]=2．8mm；材料l为lCrl8Ni9，密度P=7900kg／m3，杨氏模量E=198GPa，泊松比口=0．3；材料2为聚氨基甲酸乙脂，密度P=1140kg／m3，杨氏模量E=10．1GPa，泊松比秽=0．4。图4膜片的结构尺寸3．2应力计算结果3．2．1转矩产牛的而内薄膜应力通过薄膜应力ANSYS计算流程可得到各节点的应力数值及应力分布图(图5、6)。从应力图中可以看出，最大的主应力仃．发生在