联轴器设计报告

《化工设备设计基础》

课程设计

圆环形联轴器膜片的应力计算

指导教师：王悦老师

班级：0 8 2 0 6 2 1

姓名：许国福

学号： 3 6

一、工程背景

金属膜片挠性联轴器主要有金属膜片组、法兰盘、两端轴、中间轴和链接螺栓组成，是一种有广泛发展前途新型的可取代齿式联轴器和弹性联轴器的两轴挠性连接装置。目前常用结构有圆环式、多边式和束腰式。由于圆环式结构简单、制造方便而得到较为广泛的应用。20世纪80年代有国外引进的各种装置、设备或引进的技术制造的设备上均大量配用此种联轴器。实践证明，金属膜片联轴器失效在通常情况下均为膜片疲劳环所致，因为许多国内外学者致力于膜片应力和寿命分析，从中研究影响因素。本次研究是在重载、高转速、安装有较大偏差工况下对给定的8孔联轴器中的圆环膜片进行应力计算。从中寻求合理的膜片结构参数和允许的安装误差及最大承受载荷。

二、ANSYS工程分析理论介绍

ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。

软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。

前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；

分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；

后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。

ANSYS主要技术特点：

1）实现多场及多场耦合分析；

2）实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型 FEA 软件；3）具有多物理场优化功能的 FEA 软件；

4）具有中文界面的大型通用有限元软件；

5）强大的非线性分析功能；

6)多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置；

7)支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一；

8)数据文件全部兼容。

三、主要技术参数及任务

有关技术参数

（1）单个膜片的结构尺寸如右图

所示。

（2）膜片数量17片 （3）工作参数 功率kW P 400= 转速r.p.m

2660

=n

（4）允许安装误差 允许的偏转角[]︒=2α 允许轴向位移[]8.2=X

（5）材料为：1Cr18Ni9 材料密度3/9.7m T =ρ 杨氏模量GPa E 198=，泊松比3.0=ν

课题任务

用ANSYS 软件求圆环膜片由离心力所产生的应力 （1）离心惯性应力ANSYS 应力计算流程 （2）有限元模型各节点的应力结果

（3）节点应力计算结果 ( 4 )节点应力分析结果

四、力学模型简化

在取出的1/4膜片边缘截面上采用固定约束处理；中间螺栓孔处根据不同工况分别固定径向位移和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。

图1. 结构尺寸图

具体计算工况为：离心惯性力产生的离心应力

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r.p.m 2960=n ，其离心惯性力可以按径向体力ρπr n f 2)60/2(=加载，方向沿径向向外，固定中间螺栓孔的径向位移、周向位移和轴向位移，周边无其他载荷作用。

五、1/4有限元模型的建立

根据简化的力学模型，在ANSYS 软件中建立实体模型。采用壳单元SHELL63进行有限元网格划分，生成有限元模型。

由于实际工作时在螺栓孔周边与法兰相连而得到加固，我们采用刚性域处理，周边小范围内厚度加大。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592，单元数为516，在螺栓孔附近应力梯度较大，所以节点较密、单元较小。而远离螺栓孔的地方，应力变化较缓，所以节点较疏，单元较大。有限元网格的划分情况和节点编码如图3-图10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3. 整体有限元模型视图 图4. 中间孔附近有限元模型视图

图5. 左端部有限元模型视图图6. 右端部有限元模型视图

图7. 中间孔下部有限元模型视图图8. 中间孔上部有限元模型视图

图9. 左侧部分有限元模型视图图10. 右侧部分有限元模型视图

六、应力分析计算结果

（1）离心惯性应力ANSYS应力计算流程

Ansys前处理（设计变量及参数）→实体建模（联轴器的结构模型）→网格划分（节点分布）→载荷情况（主要是联轴器的转速）→Ansys求解（施

加载荷后受力分析）→Ansys后处理（应力分布图及各节点的应力数据表）

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