亚忠亚忠基于ansys10.0的凸缘联轴器的有限元分析。
摘要：采用有限元分析软件ansys10.0,对凸缘联轴器的受力情况作了静态的受力分析。
通过分析和计算，得出凸缘联轴器的应力和应变的分布情况，为凸缘联轴器的结构设计提供了理论依据，同时也展示了有限元分析应用于工程设计应力计算的方法，有一定的工程实用价值。为实际应用及今后进一步分析打下了良好的基础。
关键词： 联轴器；应变分布图；应力分布图； 有限元分析； ansys10.0
0 前言。随着科学技术的发展，各种机械产品在现代化生产中的应用不断扩大，机械设备和构件的种类不断增加，对其性能的要求也越来越高。为了提高机械装置的效能和可靠性，保证机械的零部件，尤其是联轴器，具有高品质是十分重要的。
从目前的资料来看，对凸缘联轴器的研究一般均采用数值公式计算的方法，这种方法对求解复杂条件的问题有些困难，而且精确度低。现采用有限元方法，借助有限元分析软件ansys对凸缘联轴器在各种尺寸参数下所受的接触应力值进行了计算和分析，得到了接触应力受尺寸参数影响的变化规律，具有一定工程应用价值。
1对凸缘联轴器的有限元分析。
ansys10.0将有限元分析和计算机图形学以及优化设计等技术有机地结合在一起，在现代工程中的应用日益广泛，给现代工程人员的设计制造带来了极大的方便[1]。本文所使用的凸缘联轴器是利用绞制孔用螺栓来实现两轴对中。
它的优点是结构简单、成本低、可传递较大的扭矩，其缺点是所对联两轴之间有相对位移，易引起附加载荷，使工作情况恶化，对两轴安装精度要求较高，不能缓冲减振。对于振动很小的工况条件和中高速、刚性不大的两轴，还是很实用的。由于它的机构和载荷的复杂性，以往的设计都只是根据经验来确定它的参数和结构优化。
鉴于此，建立有限元分析它的受力情况，以改善它的结构和性能是必要的。
1.1建立模型。
由于联轴器本身结构的对称性，只需对半联轴器进行有限元的分析[2],因此，首直接在ansys中建立好凸缘半联轴器的三维模型，它的尺寸分别为：外大圆直径d=280 mm,轴孔的直径d=80 mm,联轴器的总长度l=172 mm,螺栓的直径=30 mm。选择联轴器的三维模型的分析类型为静力分析。
1.1.1定义单元类型。
如图1-1。在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的几何结构、分析类型和所分析的问题精度要求等，选定适合具体分析的单元类型。本文选择十节点四面体实体结构单元tet 10node 92。
它可用于计算三维问题。
图1-11.1.2定义实常数。
十节点四面体实体结构单元tet 10node 92不需要设置实常数。
1.1.3定义材料属性。
考虑惯性力的静力学分析中必须定义材料的弹性模量和密度。选择它的单位为mm-kg-s,最后再选择凸缘联轴器的材料，在ansys10.0中定义一号材料，它的弹性模量为206 gpa,它的泊松比为0.
3。在分析过程中，假定材料是线弹性的，即认为材料不出现屈服。如图1-2。
图1-21.1.4建立联轴器的三维实体模型。
在ansys自上而下建立模型，自上而下建立模型是指按照从体到面、从面到线、从线到点的顺序进行建模。因为线是由点构成的，面是由线够成的，而体式由面构成的，所以称这个顺序是自上而下建模。建好后的模型如图1-3所示。
图1-31.1.5划分网格。
ansys7.0的网格划分有手动和自动2种，现采用的网格划分方法是：首先利用ansys10.
0自动进行划分，然后对半联轴器的应力集中部位进行适当的调整。值得注意的是，网格划分是越细越好，但考虑到计算机的性能和计算的速度问题，现采用的方法是一个不错的可行方法。
选用tet 10node 92 单元对三维实体划分自由网格。画好后的网格如图1-4所示。
图1-41.2定义边界条件并求解。
1.2.1基座的底部施加位移约束。
由凸缘联轴器的工作原理可知，它的基座底面和两个孔存在着约束。拾取基座底面所有的外边界线，选择uz作为约束自由度。拾取基座底面的两个圆周线，选择all dof 作为约束自由度。
完成后如图1-5所示。
图1-51.2.2在小轴孔圆周面上、大轴孔台上和键槽一侧施加压力载荷。
凸缘联轴器工作时，连接轴作用的力施加在两个孔内以及键槽的一个侧面。选择小轴孔的内圆周面和小轴孔的台面施加1e6大小的压力载荷。选择大轴孔轴台上和键槽一侧分别施加1e7和1e5的压力载荷。
加载完后如图1-6所示。
图1-61.2.3进行求解。
求解完成后，就可以利用ansys软件生成的结果文件进行后处理。静力分析中通常通过post1后处理器就可以处理和显示大多数感兴趣的结果。图1-7a、1-7 b、1-7 c、1-7 d分别是x方向、y方向、z方向以及总的应变分布图。
图1-7 a
图1-7 b
图1-7 c
图1-7 d
图1-8 a、1-8 b、1-8 c、1-8 d分别是x方向、y方向、z方向以及等效应力分布图。
图1-8 a
图1-8 b
图1-8 c
图1-8 d
2 有限元计算结果分析。
从半联轴器的应变分布图和应力分布图可以看出：最大位移出现在联轴器凸缘外侧，最大等效应力出现在键槽处。从计算结果可以看出：
在零件尺寸突然改变处的横截面上，应力并不是均匀分布的。局部应力有急剧增大的现象，这主要由于联轴器上有键槽及螺栓孔，产生了较大的应力集中。轴上的扭矩主要是通过键槽传到联轴器上的，故离键槽近的地方产生的应力较大，离键槽远的地方产生的位移较大。
由以上的分析过程可知，半联轴器产生的应力远小于其屈服应力。最先的破坏将产生在联轴器圆盘外缘或键槽处，形式是疲劳损伤或破裂。在实际的生产中，可以考虑改变半联轴器的几何参数或材料，结合柱螺栓的使用情况，准确设计半联轴器的使用寿命，并对其进行优化，以改善性能，节约成本。
3 结语。1)通过ansys10.0软件可以比较精确地掌握各点的应力和应变情况，为理论设计和实际工程应用提供依据。
2)凸缘联轴器承受应力集中作用，键槽处产生的应力最大。因此，在实际设计和制造中，为延长联轴器的使用寿命，对键槽进行一定的工艺处理是必要的。
3)由于工作时产生的应力远小于屈服应力，有必要对联轴器进行优化，以减轻重量，改善性能。
4)通过以上的有限元分析，可以看出对零部件应力分析的一般步骤，对于别的机械零部件的设计提供一种方法和参考。
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