万向联轴器应力分布及ANSYS有限元分析

李志伟， 王野平

（1.宁波钢铁有限公司，浙江 宁波 315800；2.同济大学，上海 200092）

1 万向联轴器扭矩实测

立辊轧制时，传动机构承受复杂应力，产生相应应变，通过测量轧制时传动机构的应变，建立应力与应变对应关系，测出轧机工作状态下实际应力变化，得到立辊轧机实际工作时的扭矩。本次实测选定钢种规格如表1所示，减宽量均为50mm。

表1 实验钢种规格表 mm

经实测，最大扭矩出现在Q345B轧制过程中，如表2所示。

表2 实测扭矩表 N·m

2 有限元分析

本计算利用ProE软件进行三维实体模型的建立，然后将实体模型导入 Ansys Workbench软件中进行有限元仿真［1］。

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，能与ProE软件接口，实现数据的共享和交换。

ANSYS主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。可进行结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、热分析、流体动力学分析、声场分析等。

本节应用ANSYS结构静力分析，通过划分网格，施加约束及载荷，生成应力云图，得出最大应力及发生位置。

2.1 定义单元类型

经简化后的叉头模型并不复杂，这里确定单元类型定义为solid45足够。

2.2 定义材料属性

根据图纸资料，700法兰叉头与1 000法兰叉头材料均为ZG35CrMo，十字轴材料为34CrNi3Mo，表3是这两种材料的机械特性。

表3 材料机械特性

2.3 创建模型

为得到万向联轴器轴装叉头精确的计算结果，则必须精确地确定其承受的载荷。所以，分析时必须精确模拟联轴器各部分之间力的传递，在建立有限元模型必须采用联轴器的整体结构。下页图1为分析模型，导入ANSYS软件后进行加载求解［2］。

图1 实体模型

2.4 网格划分

使用三维实体SOLID45单元对实体模型进行单元划分，根据图纸资料，模型采取三维实体单元，网格划分结果如图2所示。将本次需计算的最大扭矩1 200kN·m施加在1 000法兰侧，将边界约束施加在700法兰侧。

图2 有限元模型

3 加载及求解

1）加载。实测最大转矩Tmax＝900kN·m，考虑到本次实验不是最大减宽能力下的数据，取转矩1 200kN·m进行求解计算

2）求解。取传递转矩为1 200kN·m进行计算，得到叉头的应力分布和变形情况。

4 结果与分析（后处理）

1）传递转矩为1 200kN·m时的计算结果。观察联轴器实际破坏情况，属于应力集中引发的瞬时断裂，断口具有脆性断裂特征。根据强度理论，对于此类破坏，应用第一强度理论（最大拉应力理论）计算强度是适宜的。为此，提取了仿真结果中最大拉应力云图。图3是700法兰叉头最大主应力云图，图4是1000法兰叉头最大主应力云图。

图3 700法兰叉头最大主应力云图

图4 1000法兰叉头最大主应力云图

由仿真得出的应力云图可知，最大拉应力均发生在零件截面过渡处的应力集中区域。其中，两个叉头法兰的应力集中位置与最大拉应力比较接近，并且与实际破坏位置吻合，说明仿真结果可信。

2）根据图纸资料，700法兰叉头与1 000法兰叉头材料均为ZG35CrMo，表3是这两种材料的机械特性。对于法兰叉头，取强度极限为800MPa，考虑到载荷的冲击性质，取安全系数n＝2，则许用应力：［σ］＝800／2＝400MPa，在传动轴扭矩达到1 200kN·m时，叉头已超过许用应力。根据载荷与应力之间的线性关系，对于700法兰叉头，当扭矩达到900kN·m时，最大拉应力达到320MPa，即80%许用应力；当扭矩达到1 000kN·m时，最大拉应力达到360MPa，即90%许用应力。

5 结语

实测工况下，法兰叉头与十字轴最大拉应力达到80%许用应力，没有达到断裂的强度极限。十字轴的安全裕量最低，其材质的机械性能与标准要求相差较大。建议E1载荷警戒值为扭矩1 000kN·m。减宽量控制在50mm以内。

［1］ 刘莺，李友荣，刘安中.轧机十字轴式万向联轴器的有限元分析［J］.重型机械，2007（4）：49－51.

［2］ 邢预恩.基于ANSYS的万向联轴器叉头强度分析［J］.制造业自动化，2012（3）：109－110.