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復(fù)合材料薄片的靜動(dòng)態(tài)性能分析

2015-10-19 08:20周新光王理蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院甘肅蘭州730060
化工管理 2015年13期
關(guān)鍵詞:薄片聯(lián)軸器云圖

周新光 王理(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 甘肅 蘭州 730060)

復(fù)合材料薄片的靜動(dòng)態(tài)性能分析

周新光 王理(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 甘肅 蘭州 730060)

利用ANSYS8.0軟件對復(fù)合材料傳動(dòng)薄片進(jìn)行了有限元仿真分析,并進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)應(yīng)力計(jì)算,得出薄片中螺栓孔周邊應(yīng)力、應(yīng)變沿路徑分布的狀態(tài)及變化規(guī)律,其結(jié)果對傳動(dòng)薄片疲勞壽命計(jì)算提供了可借鑒的方法。

傳動(dòng)薄片;有限元法;復(fù)合材料;應(yīng)力云圖

機(jī)械傳動(dòng)的主要部件聯(lián)軸器,即主動(dòng)機(jī)和從動(dòng)機(jī)之間的連接件,主要由兩端法蘭盤、中間節(jié)和傳動(dòng)薄片組成。而薄片是傳遞動(dòng)力的關(guān)鍵。目前國內(nèi)外市場上的傳動(dòng)薄片材料主要由多片不銹鋼片制成。在化工行業(yè)中,聯(lián)軸器的傳動(dòng)薄片在實(shí)際工作中受到化工生產(chǎn)環(huán)境的不利影響。如復(fù)雜氣體(酸、堿、鹽等)的不斷侵蝕,造成薄片在交變載荷作用下,極易發(fā)生疲勞斷裂破壞,從而使薄片壽命大大降低[1~2]。本文從改變薄片材料性能的角度出發(fā),將多層金屬薄片研制改為復(fù)合材料。并用ANSYS8.0軟件分析靜、動(dòng)態(tài)應(yīng)力的變化規(guī)律,從中研究比較薄片在不同材料下的影響因素,給復(fù)合材料傳動(dòng)薄片提供一個(gè)更全面的設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 薄片的力學(xué)模型

將八孔復(fù)合材料圓環(huán)薄片分割成四部分,取其中一部分作為研究對象,如圖1所示,進(jìn)行應(yīng)力分析[3~4]。因復(fù)合材料薄片是一個(gè)圓環(huán)整體,所以無片間相對運(yùn)動(dòng)引起的誤差。在薄片周邊截面上可進(jìn)行約束固定處理。螺栓孔處可根據(jù)不同情況給定工作參數(shù),確定軸向位移,固定徑向位移。薄片內(nèi)外邊緣自由,小孔內(nèi)邊緣采用剛性加固處理。

根據(jù)實(shí)際工況存在四種應(yīng)力:

(1)安裝誤差引起的軸向彎曲應(yīng)力 安裝誤差使薄片沿軸線方向發(fā)生彎曲變形,該變形位移加載在螺栓孔處的軸線方向上,可假定徑向位移和軸向位移不變。

圖1 模型簡化

(2)安裝誤差引起的角向彎曲應(yīng)力 由于在軸線角向的誤差,使薄片沿軸線方向產(chǎn)生角向彎曲變形,此變形在薄片應(yīng)力分析中十分重要,也是疲勞壽命的主要因素。螺栓孔在軸線上的位移量可根據(jù)角向偏差計(jì)算,固定軸向位移和徑向位移。

(3)慣性力造成的離心應(yīng)力 高速旋轉(zhuǎn)中的傳動(dòng)薄片所產(chǎn)生的慣性力在結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計(jì)算中十分重要??砂磃=(2πn/60)2rρ加載計(jì)算,方向沿徑向向外。圓環(huán)周圍假定無其他載荷作用,固定螺栓孔其他方向上的位移量。

(4)扭矩產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力 將扭曲造成的扭矩T,即產(chǎn)生的力平均分布給四個(gè)螺栓孔上, P=Tr/4,該力沿圓周作用于螺栓孔一側(cè)的中部,固定軸向和徑向位移。

2 圓環(huán)四分之一處的有限元模型

由于所取研究對象為復(fù)合材料的圓環(huán)結(jié)構(gòu),根據(jù)薄片的力學(xué)模型簡化,可在ANSYS8.0中創(chuàng)建實(shí)體 模型。采用線性、層狀復(fù)合殼單元。如SHELL89進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,生成了有限元模型[5]。對復(fù)合材料薄片的研究是在宏觀結(jié)構(gòu)尺寸上組成新的材料為依據(jù),所以薄片各層間材料的參數(shù)與整體復(fù)合材料的參數(shù)有直接關(guān)系,8.0軟件的計(jì)算是以整體復(fù)合材料為研究對象進(jìn)行的。復(fù)合材料具有很好的比剛性和比強(qiáng)性(彈性模量與質(zhì)量之比、強(qiáng)度與質(zhì)量之比)。聯(lián)軸器中的薄片,在實(shí)際工作中它與主動(dòng)軸、從動(dòng)軸和中間節(jié)的法蘭相連,并用多個(gè)螺栓通過小孔加以固定,所以采用剛性域處理。邊界條件和載荷可按簡化的力學(xué)模型給出。ANSYS8.0自動(dòng)生成有限元模型,節(jié)點(diǎn)數(shù)為718、單元數(shù)836,在螺栓孔周圍應(yīng)力梯度較大,單元小、節(jié)點(diǎn)密。遠(yuǎn)離螺栓孔處,應(yīng)力比較緩,單元大、節(jié)點(diǎn)疏,如圖示3、4 。節(jié)點(diǎn)編碼在不同計(jì)算流程中可能存在較小差異,但不影響靜動(dòng)態(tài)應(yīng)力的計(jì)算分析。

圖2 整體有限元模型圖 圖3 中間孔附近有限元模型圖

3 復(fù)合圓環(huán)薄片的應(yīng)力分析計(jì)算

(1)結(jié)構(gòu)尺寸和工作參數(shù) ①單個(gè)薄片的結(jié)構(gòu)是非金屬和金屬材料復(fù)合制成,厚度1mm。②圓環(huán)外徑280mm,內(nèi)徑200mm,螺栓孔八個(gè),孔徑20mm。③功率380kw,轉(zhuǎn)速3000r/ min。④安裝誤差要求:偏轉(zhuǎn)角[α] =2°,軸向位移[X]=3m。

(2)應(yīng)力計(jì)算 ①靜態(tài)應(yīng)力計(jì)算。通過ANSYS8.0軟件計(jì)算流程,可得到各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布云圖和應(yīng)力數(shù)值。在這里給出了因軸向安裝誤差、離心慣性和扭矩三種情況同時(shí)發(fā)生時(shí)引起的總平均應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,并繪制出薄片的變形圖4和應(yīng)力云圖5。由于三種載荷共同作用于結(jié)構(gòu)中引起的應(yīng)力不具有對稱性,所以這里給出了各種應(yīng)力薄片的應(yīng)力云圖。從應(yīng)力云圖中可看出,最大應(yīng)力σ1發(fā)生在小孔圓周上中部偏下部位,應(yīng)力值110.34MPa,節(jié)點(diǎn)號73。最大的Misas應(yīng)力σsq同樣在小孔圓周上中部偏下部位,應(yīng)力值98.23MPa,節(jié)點(diǎn)號273。

圖4 三種組合引起的變形圖

圖5 三種組合引起的應(yīng)力云圖s1

②安裝誤差引起的角向彎曲動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析。從角向彎曲應(yīng)力云圖6、7可以看出最大應(yīng)力σ1發(fā)生在小孔圓周連接的上中部偏下處,應(yīng)力值42.52MPa,節(jié)點(diǎn)號231,最大的Misas應(yīng)力σsq同樣發(fā)生在該點(diǎn),應(yīng)力值37.23MPa。分析可知該點(diǎn)是薄片結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞的危險(xiǎn)點(diǎn)之一。

③最危險(xiǎn)性能分析。從ANSYS8.0應(yīng)力分布云圖靜動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)數(shù)值分析比較,各項(xiàng)靜態(tài)組合、角向動(dòng)態(tài)應(yīng)力的最大值及所處的位置如下表所示。

表1 靜態(tài)組合 、角向動(dòng)態(tài)的最大應(yīng)力值

通過表中應(yīng)力值和所處位置的分析,最危險(xiǎn)的應(yīng)力點(diǎn)在小孔內(nèi)邊緣中部處,這個(gè)結(jié)果與復(fù)合薄片在實(shí)驗(yàn)室傳動(dòng)臺架上強(qiáng)制疲勞試驗(yàn)結(jié)果吻合,也與金屬薄片在實(shí)際使用中所見斷裂失效破壞形式一致。

圖6 角向彎曲應(yīng)力變化s1

圖7 角向彎曲應(yīng)力mises

4 結(jié)語

通過分析計(jì)算復(fù)合材料薄片的性能,決定其結(jié)構(gòu)壽命的主要因素有靜態(tài)平均應(yīng)力和動(dòng)態(tài)應(yīng)力幅兩個(gè)方面,而應(yīng)力幅是指動(dòng)態(tài)應(yīng)力角向位移引起的彎曲應(yīng)力幅,影響比較大的是應(yīng)力幅的數(shù)值[6]。平均應(yīng)力是指離心應(yīng)力、薄膜應(yīng)力和軸向偏差應(yīng)力的組和應(yīng)力。在實(shí)際工況中,安裝誤差的調(diào)整、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化等均對壽命產(chǎn)生明顯影響。另外復(fù)合材料的制造工藝缺陷也會(huì)影響其壽命。為了減少靜、動(dòng)態(tài)應(yīng)力,從傳動(dòng)薄片的受力角度看,應(yīng)盡可能減少安裝誤差,從而減少角向和軸向誤差。從薄片結(jié)構(gòu)形狀上看,可采用復(fù)合材料的柔性特點(diǎn),將圓環(huán)形狀制作成束腰型,這樣可大大減少彎曲應(yīng)力,從而提高疲勞強(qiáng)度,延長有效工作壽命。

[1]徐啟清.鋼片撓性聯(lián)軸器的特性和設(shè)計(jì)[J].傳動(dòng)技術(shù),1999,19(3):39-42.

[2]申清潭.膜片式聯(lián)軸器失效機(jī)理探討[J].武漢冶金科技大學(xué)學(xué)報(bào),1999,22(4):365-367.

[3]鄭勁,賈汝民.連續(xù)四邊形膜片聯(lián)軸器的疲勞分析與計(jì)算[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào),1996,29(2):123-125.

[4]申屠留芳,湯洪濤,王成軒.疊片聯(lián)軸器膜片應(yīng)力及影響因素分析[J].機(jī)械強(qiáng)度,1998,20(4):276-279.

[5]申屠留芳,徐其文.軸不對中對疊片聯(lián)軸器應(yīng)力的影響[J].威海工學(xué)院學(xué)報(bào),1998,28(3):16-20.

[6]華軍,許慶余,張亞紅.應(yīng)用局部應(yīng)力—應(yīng)變法計(jì)算聯(lián)軸器膜片疲勞壽命[J].工程力學(xué),2000,17(4):132-136.

The analysis of the static and dynamic properties of the composite sheet

Zhou Xin-guang Wang Li (LanZhou Petrochemical Vocation College of Technology ,LanZhou , 730060,Gansu ,China)

Finite element simulation analysis on composite drive diaphragm using ANSYS8.0 software and calculation of the static/dynamic stress, obtain the stress/strain state and variation distributed along the path around the bolt holes on sheet,the result provides a reference method for fatigue life calculation of transmission sheet.

transmission sheetfi nite element method; composite; stress nephogram

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