吳　暉，周少偉

(1．海軍駐第七○一研究所軍事代表室，湖北武漢430064; 2．華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北武漢430074; 3．中國(guó)船舶研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064)

法蘭式液壓聯(lián)軸器抗沖擊性能分析

吳暉1，2，周少偉3

(1．海軍駐第七○一研究所軍事代表室，湖北武漢430064; 2．華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北武漢430074; 3．中國(guó)船舶研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064)

摘要:法蘭式液壓聯(lián)軸器作為船舶動(dòng)力傳遞的關(guān)鍵部件，在造船工業(yè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但目前對(duì)其抗沖擊特性研究較少。本文基于非線性接觸理論，建立某法蘭式液壓聯(lián)軸器接觸模型，獲得最大負(fù)載工況下聯(lián)軸器各部件的應(yīng)力分布。在此基礎(chǔ)上，基于現(xiàn)代沖擊理論，分別采用頻域法和時(shí)域法進(jìn)行抗沖擊特性分析。計(jì)算得到液壓聯(lián)軸器在沖擊載荷作用下的應(yīng)力分布，為艦載設(shè)備抗沖擊性能評(píng)估和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。研究結(jié)果表明，該型液壓聯(lián)軸器符合抗沖擊性能要求。

關(guān)鍵詞:法蘭式液壓聯(lián)軸器;接觸應(yīng)力;抗沖擊;頻域;時(shí)域

Analysis of the anti-shock performance for flanged hydraulic coupling

WU Hui1，2，ZHOU Shao-wei3
(1．Military Representative Office in the 701 Institute，Wuhan 430064，China;2．School of Naval Archetecture and Ocean Engieering，Huazhong University and Technology，Wuhan 430074，China; 3．China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China)

Abstract:Flanged hydraulic couplingis an important junction and is being widely used in modem naval shaftingsystem．However，few researches have been studied on its anti-shock performance．Based on nonlinear contact theory，a finite element model of a flanged hydraulic coupling was built in this paper．The distribution of the contact stress was obtained in the working condition of maximum load．Furthermore，based on modern impact theory，its anti-shock performance was studied in both frequency and time domain withthe consideration of the contact stress．The stress was obtained from the anti-shock simulation which could be useful for anti-shock design and evaluation．The results indicated that the design of flanged hydraulic coupling met the requirement of anti-shock．

Key words:flanged hydraulic coupling; contact stress; anti－shock; frequency domain;time domain

0　引言

現(xiàn)代艦船在海戰(zhàn)中必然面臨各種爆炸引起的沖擊載荷。隨著導(dǎo)彈、激光炸彈以及水中兵器的發(fā)展，爆炸當(dāng)量和沖擊持續(xù)時(shí)間明顯增加。精確制導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用大大提高了武器命中率，使艦船面臨的沖擊環(huán)境進(jìn)一步惡化［1］。在沖擊環(huán)境下艦載設(shè)備可能由于無(wú)法承受大的加速度和位移而遭到破壞，從而導(dǎo)致艦船機(jī)動(dòng)性、戰(zhàn)斗力的喪失，陷于被動(dòng)局面。因此，提高艦載設(shè)備的抗沖擊能力對(duì)提高艦船生命力和戰(zhàn)斗力具有重大意義［2－3］。法蘭式液壓聯(lián)軸器是艦船動(dòng)力傳遞的關(guān)鍵部件，在艦船設(shè)備中占有重要地位，在沖擊安全級(jí)別中屬A級(jí)(最高級(jí))設(shè)備。因此，開(kāi)展艦用法蘭式液壓聯(lián)軸器抗沖擊性能研究，對(duì)提高艦船生命力和戰(zhàn)斗力都具有非常重要的意義。

1　液壓聯(lián)軸器工作原理

法蘭式液壓聯(lián)軸器可避免因采用鍵槽而對(duì)軸系強(qiáng)度產(chǎn)生的削弱作用，具有傳遞扭矩大、對(duì)中性好等優(yōu)點(diǎn)，在艦船推進(jìn)系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。

常用液壓聯(lián)軸器一般分為套筒式和法蘭式，其工作原理基本相同。液壓聯(lián)軸器的核心部件由2個(gè)鋼制套管組成，如圖1所示。內(nèi)套外表面和外套內(nèi)表面具有相同的錐度。液壓聯(lián)軸器安裝時(shí)利用徑向油壓，使外套和內(nèi)套均產(chǎn)生彈性變形(外套擴(kuò)大，內(nèi)套收縮)。在軸向油壓推動(dòng)下，外套逐漸向錐面大端移動(dòng)。當(dāng)外套到達(dá)設(shè)計(jì)位置后，釋放徑向油壓，由于內(nèi)/外套間的過(guò)盈配合致使外套、內(nèi)套和傳動(dòng)軸相互抱緊。工作時(shí)依靠聯(lián)軸器內(nèi)/外套以及傳動(dòng)軸三者配合面間的摩擦力傳遞動(dòng)力軸的輸出扭矩與推力。

圖1　液壓聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)組成剖視圖Fig.1　Sectional view of the hydraulic coupling

2　抗沖擊分析理論基礎(chǔ)

2.1頻域分析法

頻域分析法是將設(shè)計(jì)沖擊譜作為系統(tǒng)的沖擊輸入。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型模態(tài)分析、模態(tài)分析結(jié)果合成，從而求得系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)［4］。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析法是常用的頻域分析法。設(shè)計(jì)沖擊譜隨艦艇類(lèi)型、設(shè)備安裝位置以及設(shè)備各級(jí)模態(tài)質(zhì)量的不同而不同［5］。艦用液壓聯(lián)軸器屬于A類(lèi)設(shè)備，計(jì)算公為

式中: A0為加速度，m/s2; V0為速度，m/s; ma為模態(tài)質(zhì)量，t。

根據(jù)文獻(xiàn)［5］，采用NRL方法進(jìn)行模態(tài)合成，如式(3)所示。

式中: xib為任一階模態(tài)的最大響應(yīng); xia為對(duì)應(yīng)a階模態(tài)的響應(yīng); xi為合成后的響應(yīng)。

根據(jù)文獻(xiàn)［5］，頻域抗沖擊分析需對(duì)液壓聯(lián)軸器各部件的綜合應(yīng)力進(jìn)行抗沖擊性能校核，即將沖擊模型計(jì)算得到的最大沖擊應(yīng)力與工作載荷作用下的最大工作應(yīng)力進(jìn)行絕對(duì)值相加，如下式:

式中:σ為綜合應(yīng)力;σdyn為沖擊載荷下的最大沖擊應(yīng)力;σ0為最大負(fù)載工況下的最大工作應(yīng)力。

液壓聯(lián)軸器由于過(guò)盈配合產(chǎn)生的接觸應(yīng)力以及傳遞扭矩與推力產(chǎn)生的應(yīng)力均為連續(xù)工作應(yīng)力，故頻域法最終計(jì)算結(jié)果應(yīng)包含上述應(yīng)力值。

2.2時(shí)域分析法

DDAM法最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約計(jì)算資源，但也存在不足，如不能考慮阻尼效應(yīng)、不能考慮非線性效應(yīng)和間隙效應(yīng)等。時(shí)域分析法是目前國(guó)內(nèi)外廣泛用于評(píng)價(jià)抗沖擊性能的另一種計(jì)算方法。該方法采用實(shí)測(cè)的時(shí)間歷程曲線或標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)輸入時(shí)程曲線作為設(shè)備的沖擊輸入載荷，對(duì)設(shè)備進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)響應(yīng)分析。時(shí)域分析法可以對(duì)各種非線性因素進(jìn)行精確仿真。本文采用德軍標(biāo)BV043/85中規(guī)定的雙三角加速度時(shí)間歷程曲線作為時(shí)域沖擊載荷譜(見(jiàn)圖2)。

圖2　雙三角形時(shí)域曲線Fig.2　Double triangle curve on time domain

表1　BV043/85抗沖擊譜Tab.1 Shock spectrum of BV043/85

2)對(duì)于設(shè)備質(zhì)量大于5 t的隔離系統(tǒng)，沖擊譜速度和加速度需要進(jìn)行折減，折減公式為:

式中: m為隔離安裝的設(shè)備質(zhì)量，t; m0為質(zhì)量常數(shù)，恒等于5 t; A為折減后的加速度譜值，g; V為折減后的速度譜值，m/s。

計(jì)算輸入載荷依據(jù)表1和圖2來(lái)確定，圖2中參數(shù)計(jì)算方法為:

3　數(shù)值建模

3.1接觸應(yīng)力分析數(shù)值建模

裝配完成后的法蘭式液壓聯(lián)軸器接觸分析模型如圖3所示。聯(lián)軸器外套與內(nèi)套存在過(guò)盈配合，內(nèi)套與傳動(dòng)軸之間形成接觸配合。在上述配合面間建立接觸關(guān)系，并通過(guò)接觸面間的幾何過(guò)盈量來(lái)模擬接觸面間的過(guò)盈配合。

施加邊界時(shí)，連接法蘭端面固支。同時(shí)，定義一個(gè)參考點(diǎn)，并傳動(dòng)軸端面建立耦合關(guān)系。通過(guò)在參考點(diǎn)施加最大工作扭矩和推力來(lái)模擬傳動(dòng)軸所傳遞的最大負(fù)載。

圖3　液壓聯(lián)軸器接觸分析網(wǎng)格模型Fig.3　Mesh model of hydraulic coupling contact analysis

3.2抗沖擊分析數(shù)值建模

法蘭式液壓聯(lián)軸器抗沖擊模型包括傳動(dòng)軸、連接軸、法蘭式液壓聯(lián)軸器及液壓螺栓(液壓螺栓設(shè)計(jì)原理同液壓聯(lián)軸器相似，由套筒、螺桿、螺母等主要部件組成，本模型中共含15個(gè)液壓螺栓)，如圖4所示。液壓聯(lián)軸器與連接軸連接，在傳動(dòng)軸及連接軸兩外端面施加固支約束。沖擊載荷經(jīng)支承軸承從2根軸的外端面輸入。

抗沖擊計(jì)算頻域法與時(shí)域法的網(wǎng)格模型相同，但接觸面間的接觸關(guān)系及邊界條件有所不同。主要區(qū)別如下:

1)由于DDAM法不能考慮非線性因素，因此，采用DDAM法時(shí)聯(lián)軸器內(nèi)套與傳動(dòng)軸、聯(lián)軸器內(nèi)套與外套、液壓螺栓套筒與螺桿、液壓螺栓套筒與螺栓孔等接觸面之間的關(guān)系均采用Tie綁定關(guān)系。

2)采用時(shí)域法建模時(shí)同樣固支傳動(dòng)軸及連接軸外側(cè)端面，三角沖擊波施加在2根軸外端面上。為了精確計(jì)算聯(lián)軸器抗沖擊響應(yīng)，并減少計(jì)算規(guī)模，聯(lián)軸器外套、內(nèi)套與傳動(dòng)軸三者間的接觸面采用Contact接觸定義，其余接觸面采用Tie綁定連接。在2根軸的外端面施加某方向沖擊載荷譜時(shí)，需先解除該沖擊方向的固定約束。

3.3材料屬性

本文以某艦船用法蘭式液壓聯(lián)軸器為分析對(duì)象，對(duì)其最大負(fù)載工況下的接觸應(yīng)力及抗沖擊性能進(jìn)行研究。液壓聯(lián)軸器各部件及軸段材料屬性如表2所示。最大負(fù)載工況下推進(jìn)軸系所傳遞的扭矩為3 600 kN·m，推力為1 700 kN。

表2　各部件材料屬性Tab.2　Material properties of each component

對(duì)液壓聯(lián)軸器而言，各接觸面間的摩擦系數(shù)將對(duì)其性能產(chǎn)生很大的影響作用。通過(guò)試件測(cè)試獲得不同接觸面間的摩擦系數(shù)值，如表3所示。

表3　接觸面摩擦系數(shù)Tab.3　Friction coefficient of contact surface

4　計(jì)算結(jié)果分析

4.1接觸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

最大負(fù)載工況下，液壓聯(lián)軸器工作應(yīng)力仿真計(jì)

算結(jié)果如圖5～圖6所示。從計(jì)算結(jié)果分析可知，整個(gè)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)外套接觸邊緣。外套最大值為648.6 MPa，內(nèi)套為333.5 MPa。液壓聯(lián)軸器所有零件應(yīng)力均小于材料屈服極限，說(shuō)明該液壓聯(lián)軸器能承受推進(jìn)軸系的最大負(fù)載。

圖5　最大負(fù)載工況下外套應(yīng)力分布云圖Fig.5　Jacket stress contours at maximum load conditions

圖6　最大負(fù)載工況下內(nèi)套應(yīng)力分布云圖Fig.6　Inner jacket stress contours at maximum load conditions

圖7　垂向沖擊外套應(yīng)力分布云圖Fig.7　Jacket stress contours upon vertical shock

圖8　垂向沖擊內(nèi)套應(yīng)力分布云圖Fig.8　Inner jacket stress contours upon vertical shock

表4　垂向沖擊時(shí)聯(lián)軸器各部件綜合應(yīng)力值Tab.4　Mises stress of each components of hydraulic coupling upon vertical shock

依據(jù)文獻(xiàn)［5］規(guī)定，抗沖擊分析綜合應(yīng)力應(yīng)小于材料屈服強(qiáng)度，故聯(lián)軸器內(nèi)/外套均符合抗沖擊要求。

4.3時(shí)域法計(jì)算結(jié)果

在時(shí)域分析模型中，通過(guò)定義分析步，首先對(duì)液壓聯(lián)軸器進(jìn)行最大負(fù)載工況下的受力分析，獲得聯(lián)軸器工作應(yīng)力分布。在此基礎(chǔ)上，再根據(jù)輸入的時(shí)域沖擊載荷進(jìn)行動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析。最終所得到的計(jì)算結(jié)果即為沖擊應(yīng)力與工作應(yīng)力的綜合應(yīng)力。

時(shí)域法計(jì)算結(jié)果如圖9和圖10所示。聯(lián)軸器外套和內(nèi)套最大應(yīng)力點(diǎn)在整個(gè)計(jì)算時(shí)間歷程內(nèi)的應(yīng)力變化時(shí)程圖如圖11和圖12所示。從圖中可知，聯(lián)軸器外套與內(nèi)套最大應(yīng)力分別為738.76 MPa和370.10 MPa，出現(xiàn)在0.604 ms和10.863 ms時(shí)刻，均未超出材料屈服強(qiáng)度，符合抗沖擊要求。

圖9　外套應(yīng)力分布(0.604 ms)Fig.9　Jacket stress contours (0.604 ms)

圖10　內(nèi)套應(yīng)力分布(10.863 ms)Fig.10　Inner jacket stress contours (10.863 ms)

圖11　聯(lián)軸器外套最大應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力時(shí)歷曲線Fig.11　The time history plot of the maximum stress point's stress on jacket

圖12　聯(lián)軸器內(nèi)套應(yīng)力最大點(diǎn)應(yīng)力時(shí)歷曲線Fig.12　The time history plot of the maximum stress point's stress on inner jacket

5　結(jié)語(yǔ)

本文基于非線性接觸理論，建立了液壓聯(lián)軸器接觸模型，獲得了最大負(fù)載工況下的聯(lián)軸器內(nèi)/外套應(yīng)力分布?；诂F(xiàn)代沖擊理論，建立了液壓聯(lián)軸器抗沖擊分析模型，分別對(duì)某型法蘭式液壓聯(lián)軸器進(jìn)行了頻域和時(shí)域抗沖擊性能仿真計(jì)算。通過(guò)對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析得出以下結(jié)論:

1)通過(guò)對(duì)最大負(fù)載工況下的應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)在液壓聯(lián)軸器內(nèi)外套接觸邊緣即外套尖角處出現(xiàn)最大應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力集中。這是聯(lián)軸器的薄弱環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)采取相應(yīng)措施加以避免。

2)分別采用頻域和時(shí)域法對(duì)聯(lián)軸器進(jìn)行抗沖擊分析。計(jì)算結(jié)果表明，該型聯(lián)軸器符合抗沖擊性能要求。

3)通過(guò)對(duì)聯(lián)軸器內(nèi)/外套相同節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，2種方法計(jì)算結(jié)果比較接近。這樣也達(dá)到了相互驗(yàn)證的作用，證明計(jì)算結(jié)果可信。

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作者簡(jiǎn)介:吳暉(1979－)，男，工程師，從事專(zhuān)業(yè)艦船設(shè)計(jì)。

收稿日期:2015－01－22;修回日期: 2015－03－16

文章編號(hào):1672－7649(2015) 07－0038－05doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.009

中圖分類(lèi)號(hào):U664．21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A