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新型波紋管聯軸器的有限元分析

發布于:2022-04-02 19:26
有限元分析

      波紋管作為一種能自由伸縮的彈性補償元件,由于具有工作可靠、結構緊湊等特點,現已廣泛應用于各個工業部門,作為管道和設備的熱膨脹與相對位移補償、隔振、活動密封以及儀表彈簧等用,并仍在不斷地擴大它的使用領域。波紋管聯軸器是用波紋管直接與兩個半聯軸器相連而成。波紋管是一種外表面呈波紋狀的薄壁管件,一般由不銹鋼或銅合金加工制成,具有較高的軸向彈性。此類聯軸器的特點是重量輕、體積小,耐熱、耐腐蝕性能好,慣性力小,彈性好。波紋管屬殼類零件,要從力學角度來分析它有一定的困難。由于計算此聯軸器的強度有限元分析存在一定的難度,因此,國內外目前一般只用于傳遞運動,而很少用于傳遞動力。另外,波紋管普遍被人們認為是不能承受扭矩作用,也即在扭矩作用下波紋管很容易被扭屈。
      但是,經過對波紋管的結構分析發現波紋管的直邊長度和波峰波谷的圓弧半徑對波紋管軸向、角向的補償影響較大,波紋管的直徑和壁厚對承受扭矩有較大影響。通過幾何非線性的有限元計算,在一定的結構尺寸下,波紋管的結構坍塌是發生在強度破壞之后。例如一波紋管的尺寸為,外徑65mm,內徑40mm,壁厚1mm,波峰和波谷圓弧半徑為3mm,共四個波。在只承受6 000N m扭矩的作用下,結構未發生坍塌現象,但此時的安全系數僅為0.046,已不能滿足強度條件。本文還解決了波紋管應力和強度的設計計算問題,成功地設計出用于動力傳遞、作為傳動裝置的一種新型波紋管聯軸器,此聯軸器能夠部分代替另外一種新型聯軸器—疊片聯軸器。
      目前波紋管的強度計算方法有幾種,用有限元法分析可以得到其最大應力的數值,而且還可以知道最大應力的位置及應力的性質和方向,以及得到整個波形截面上的應力分布和位移情況。對于復雜受力,如同時承受扭轉、軸向和角向變形的情況,它可以直接得到準確的計算結果,而其他的計算方法或者只能間接地取偏安全的數值,或者無法確定。波紋管的形狀是一種殼體,且作為聯軸器需要傳遞扭矩,還要補償位移,所以選用殼單元來計算波紋管聯軸器的應力。殼單元在有限元中是一種較為復雜的單元,它需要把波紋管劃分為有限個殼單元,分別給出每個殼單元中各個節點的法面矢量,稍有疏忽有限元程序就無法計算,或者計算結果完全錯誤。在計算時采用了4節點殼單元,并在ADINA84上運行計算。由于聯軸器不僅要傳遞扭矩,還要補償軸向和角向位移,所以采用了大位移非線性計算。



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