基于ANSYS联轴节的有限元分析

屈彩虹，张兵，张磊

（1.海军航空工程学院 飞行器工程系，山东 烟台 264001；2.济宁市国土资源局任城分局，山东 济宁 272000）

0 引言

联轴器是用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）并使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。联轴器由两部分组成，分别与主动轴和从动轴联接，是机械产品轴系传动最常用的联接部件。动力机一般都借助于联轴器与工作机相联接，机器运转时两轴不能分离，只有机器停车并将联接拆开后，两轴才能分离。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用，可减少机械传动系统的振动,降低冲击尖峰载荷.加强对联轴节力学性能的了解，,对提高煤矿机电设备的安全可靠性,设备可用率,降低设备强迫停运几率,减少维修费用,延长设备使用寿命等都有着重要意义，所以有必要对联轴节进行有限元分析，提高联轴节的可靠性，为联轴节的生产设计和进一步优化提供参考。

1 安装后有限元分析

1.1 有限元模型

该联轴节由外套、内套和轴组成，外套与内套，内套与轴之间通过过盈配合联接，外套与内套接触面为锥度配合，在弹性变形的作用下使外套、内套和轴系相互抱紧，形成一个能同步回转、传递扭矩的整体。安装模型为轴对称结构，所以采用四分之一模型建模，减少单元数量，以便提高运算速度。

网格划分采用映射网格划分，单元类型选取solid185，划分完的有限元模型如图1。

图1 有限元模型

外套、内套、轴的材料均为钢，弹性模量E=206 GPa，泊松比u=0.25，密度取7.9×103kg/m3，材料的强度极限为720 MPa，本模型采用参数化建模，长度单位采用mm，力单位采用N。采用接触对来完成联轴节安装工况的分析，外套与内套、内套分别与主动轴和从动轴构建接触对。

1.2 应力分析

安装后总体应力云图如图2、图3 所示，从图2 中可以看出，在外套截面突变处应力较大，一是由于应力集中，二是由于端部效应，在外套外表面应力为272 MPa。

图2 联轴器总体应力云图

图3 外套应力云图

从图3 中可以看出外套内表面应力为479 MPa，在端部截面突变处出现应力集中，应力较大，为612 MPa。

从外套内表面压应力曲线（如图4）可以看出，外套与内套之间的压应力平均为120 MPa，在端部有明显的应力集中现象，在两轴结合处压应力稍微减小，但也大于要求的设计压力110 MPa，所以连接部分内套与外套符合要求。

图4 外套内表面压应力曲线

内套内表面与轴的外表面之间的压应力如图5 所示。

从图5 中可以看出内套与轴的接触面压应力也在110 MPa 以上，可以达到设计要求，在内套端部由于没有外套的接触，故压力较小，与实际情况符合。

2 施加扭矩时的应力分析

2.1 有限元模型

联轴节主要起传递扭矩的作用，在施加扭矩时采用建立MPC 点的形式，将扭矩施加于MPC 点。所建立有限元模型如图6。

2.2 有限元分析

图5 内套内表面的压应力曲线

图6 加扭有限元模型

图7 加扭整体应力云图

图8 加扭后内套接触强度分布曲线

在该联轴节一端施加扭矩后，总体联轴节应力云图如图7。从图7 可以看出，在施加扭矩端部应力很大，原因是MPC 点与端部各点建立刚性梁，施加扭矩时端部各点受力较大，此部分除去不计，整体联轴节应力为640 MPa。从加扭后的接触强度曲线可以看出，施加扭矩后内套与轴的接触应力仍大于110 MPa，说明了模型的可靠性。

3 结语

通过对联轴器的分析，得到了联轴器的整体应力云图，并分析了联轴器外套与内套、内套与轴接触面处的压应力分布曲线，说明此设计可以满足要求，并找到了应力最大区域，为联轴器后续研究提供了可参考的力学模型，为下一步联轴器的优化设计提供依据。

［1］龚曙光，谢桂兰.ANSYS 操作命令与参数化编程［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［2］何君毅，林祥都.工程结构非线性问题的数值解法［M］.北京：国防工业出版社，1994.

［3］中国国家质量监督检验检疫总局.GB 150-2011，压力容器［S］.北京：中国标准出版社，2012.