CN105138807A - 均匀接触应力液压联轴节及其优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种均匀接触应力液压联轴节及其优化方法，外套分别设有靠近油腔端部的卸荷槽和远离油腔端部的卸荷槽，优化后的外套靠近油腔端部的卸荷槽尺寸为：外套油腔厚度T=46.6mm，倒角深度h=18mm，倾斜角度α=11.5°，倒角半径R₁=15mm，倒角半径R₂=4mm；优化的外套远离油腔端部的卸荷槽尺寸为：开槽位置（圆弧圆心到轴系轴心线的距离）Location=386mm，倾斜角度β=26°，开槽深度h₃=6mm，倒角半径R₃=3mm。本发明通过非线性接触有限元分析方法和优化方法相结合的方式，对液压联轴节的外套进行优化设计，使得外套与内套接触边界处应力集中度大幅降低，同时能液压联轴节的设计传递轴系载荷能力不降低。

Description

均匀接触应力液压联轴节及其优化方法

技术领域

本发明涉及一种液压联轴节，尤其是一种均匀接触应力液压联轴节及其均匀接触应力液压联轴节的优化方法。

背景技术

随着船舶的大型化发展趋势，船舶吨位越来越大，主机功率不断提高，单轴传递的扭矩和推力也越来越大。相应的，对于起到联接轴系传递推力和扭矩功能的液压联轴节而言，对其传递扭矩和推力的指标要求也越来越高，但同时出于总体的考虑，对联轴节的尺寸和重量的要求也越来越苛刻。单纯依靠放大联轴节物理尺寸的方法来提高其性能指标的技术路径越来越窄，制造加工的难度也越来越大。目前迫切需要在应用原理技术层面上的创新来突破发展的障碍。

针对上述发展趋势，国内外液压联轴节生产商均推出了增摩型液压联轴节产品，较传统型相比增摩型产品有效提高了液压联轴节单位重量的传扭能力。但是无论增摩型还是传统液压联轴节外套与内套接触边界存均在较高应力集中现象，在液压联轴节的装拆过程存在内外套发生粘咬的风险，导致零件甚至整套产品的报废。本发明即是在原有联轴节外套的设计基础之上建立参数优化方法，对外套与内套接触的端部进行优化，减小内套外套接触边界处的应力集中度，提高液压联轴节的装拆可靠性和疲劳寿命。

发明内容

本发明是要提供一种可以有效减小接触边界应力集中度的均匀接触应力液压联轴节及其优化方法，在满足液压联轴节传力要求的前提下，减小液压联轴节的外套与内套之间的最大接触压力。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种均匀接触应力液压联轴节，其上外套分别设有靠近油腔端部的卸荷槽和远离油腔端部的卸荷槽，所述卸荷槽具有使内套与外套的接触边界处应力应力集中有效降低，同时不降低液压联轴节传递轴系载荷能力，所述外套靠近油腔端部的卸荷槽尺寸为：外套厚度T＝46.6mm，倒角深度h＝18mm，倾斜角度α＝11.5°，倒角半径R₁＝15mm，倒角半径R₂＝4mm；优化后的外套远离油腔端部的卸荷槽尺寸为：开槽位置Location＝386mm，倾斜角度β＝26°，开槽深度h₃＝6mm，倒角半径R₃＝3mm。

一种均匀接触应力液压联轴节的优化方法，其步骤为：

(1)建立联轴节数学优化模型

进油腔端部优化数学模型为：

minpress_max

s.t.press_min≥press_average

20≤T≤65

10≤h≤25

10≤R₁≤25

0≤R₂≤15

0°≤α≤25°

远离油腔端部的优化数学模型为：

minpress_max

s.t.press_min≥press_average

20°≤β≤40°

0≤h₃≤20

0≤R₃≤15

380≤Location≤400

(2)在计算和优化过程中，以接触端部的最大接触压力为目标，当端部的边界效应变小以后相邻的接触压力也会变小，从而达到降低外套与内套接触边界应力集中度的效果；

(3)采用平面轴对称单元对联轴节进行分析和优化；

(4)联轴节优化尺寸的灵敏度分析

a)倾斜角度α的灵敏度分析

b)外套厚度T的灵敏度分析

c)倒角深度h的灵敏度分析

d)倒角半径R₁的灵敏度分析

e)倒角半径R₂的灵敏度分析

f)开槽位置Location灵敏度分析

g)倾斜角度β的灵敏度分析

h)倒角半径R₃的灵敏度分析

i)开槽深度h₃的灵敏度分析

经过以上各参数的灵敏度分析，应用Ansys与Isight的集成优化程序进行优计算，确定各个参数值，完成优化分析。

(5)优化结果

由油腔端部接触压力迭代曲线收敛得到在满足相应的约束条件下，达到最有的最小的目标函数；并对优化后的尺寸进行圆整处理，得到圆整以后的优化模型和优化结果。

本发明技术方案带来的有益效果：

本发明通过非线性接触有限元分析方法和优化方法相结合的方式，对液压联轴节的外套进行优化设计，使得到外套与内套接触的端部应力集中度大幅减小，从而有延长和效提高了液压联轴节的使用寿命与可靠性。在液压联轴节传递的设计推拉力和扭矩不降低的前提下，在原理技术层面上进行创新性，减小了液压联轴节内套与外套的应力集中度，设备重量也得到了一定程度的减轻，延长了液压联轴节的使用寿命。由于接触边界处应力峰值减小，拆装过程内套外套相对滑移时的接触压力减小，因此降低了发生粘咬故障的可能性，提高了其装拆可靠性。

附图说明

图1为联轴节系统示意图；

图2为图1中A处的外套大端优化模型示意图；

图3为图1中B处外套小端优化模型示意图；

图4为油腔端部卸荷槽尺寸图；

图5为远离油腔端部卸荷槽尺寸图；

图6为疏密网格外套内套接触压力对比图；

图7为三维体单元与二维轴对称单元的比较图；

图8为ANSYS与Isight的集成示意图；

图9为ANSYS与Isight数据流程图；

图10为优化前后外套-内套接触应力曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明

本发明的液压联轴节结构如图1至图3(图2、3为图1中A、B处的参数优化结构示意图)所示，1、2分别为液压联轴节的外套和内套。根据其结构特点对原始无卸荷槽结构的外套零件进行参数优化设计，寻求使得夹持力均匀的最优外套结构。本发明通过非线性接触有限元分析方法和优化方法相结合的方式，对液压联轴节的外套进行优化设计，使得外套与内套接触的端部应力集中减小，从而有效延长和提高液压联轴节的使用寿命与可靠性。图4～图5给出了优化设计后，靠近油腔端部和远离油腔端部的卸荷槽的具体尺寸，按照这个尺寸设计的联轴节其外套的接触应力小，同时能够满足传递轴系载荷的要求。

外套分别设有靠近油腔端部的卸荷槽(图2)和远离油腔端部的卸荷槽(图3)，如图4至图5所示，优化后的外套靠近油腔端部的卸荷槽尺寸为：外套厚度T＝46.6mm，倒角深度h＝18mm，倾斜角度α＝11.5°，倒角半径R₁＝15mm，倒角半径R₂＝4mm；优化后的外套远离油腔端部的卸荷槽尺寸为：开槽位置Location＝386mm，倾斜角度β＝26°，开槽深度h₃＝6mm，倒角半径R₃＝3mm。

本发明的具体优化方法为：

(1)建立联轴节数学优化模型

确定方案中各参数变化对联轴节结构应力计算结果的影响分析。

进油腔端部优化数学模型为：

minpress_max

s.t.press_min≥press_average

20≤T≤65

10≤h≤25

10≤R₁≤25

0≤R₂≤15

0°≤α≤25°

远离油腔端部的优化数学模型为：

minpress_max

s.t.press_min≥press_average

20°≤β≤40°

0≤h₃≤20

0≤R₃≤15

380≤Location≤400

(2)密网格和疏网格平均压力对比

对于接触非线性问题，接触面上应力集中效应与网格的划分有密切的关系，同时，之前的验证已经得出，接触面上的接触压力并不随着网格的细分而趋于稳定。

由图6可以看出，随着网格的变化，外套与内套平稳段的接触应力是一致的，但是对于应力集中的端部效应，最大应力值存在一定的不同。虽然疏网格和密网格接触端部都会存在应力集中效应(边界效应)，无法准确计算出，但是由图可以看出接触压力的变化曲线是一致的，因此在计算和优化过程中，以接触端部的最大接触压力为目标，当端部的边界效应变小以后相邻的接触压力也会变小，从而达到优化外套与内套接触处的接触应力。

(3)三维实体网格与轴对称二维单元结果对比

考虑到三维实体网格的计算效率问题，本发明对卸荷槽的尺寸进行优化时利用平面轴对称单元。利用平面单元可以大大提高计算分析效率，从而提高优化效率。为了验证二维单元的结果的可信性，建立相同网格尺度的二维单元网格与三维单元网格进行比较。由图7三维体单元与二维轴对称单元的比较可以看出，二维平面单元和三维实体单元的计算结果是一致的，尤其是在端部的应力集中处及接触平稳段。因此，可以采用平面轴对称单元对联轴节进行分析和优化。

(4)优化尺寸的灵敏度分析

在进行卸荷槽各参数优化之前，需要明确各个参数的变化对优化目标(接触端的接触压力)的灵敏度情况，即分析哪些变量对目标函数的影响较大，哪些设计变量对目标函数的影响较小，从而为优化提供参考。首先对靠近油腔处的外套进行灵敏度分析，由于靠近油腔处和远离油腔处的外套端部相互影响可以忽略，因此，可以分别对两端进行分析，分别对两端进行优化。从而能够寻找到对两端都适合的最优化设计。

靠近油腔各设计变量对目标函数的灵敏度分析：

(a)倾斜角度α的灵敏度分析

令R₁＝15mm，R₂＝2mm，h＝22.5mm，T＝37.5mm，以α为设计变量，分析α的变化对外套接触压力的影响。随着倾斜角度α从0～30°变化，接触端部最大应力是变小的。但是当倾斜角度α大于17°左右时，随着倾斜角度α的增大，最小接触应力会突然变小。因此，这就约束倾斜角度不能太大，但要尽可能的大，以此来降低最大接触压力。由此，可以得出目标函数对于倾斜角度α较敏感。

(b)外套厚度T的灵敏度分析

令R₁＝15mm，R₂＝2mm，h＝22.5mm，α＝20°，以T为设计变量，分析T的变化对外套接触压力的影响。随着外套厚度T从20～50mm变化，接触端部最大应力是变小的。但是当外套厚度T大于37.5mm时，随着外套厚度T的增大，最小接触应力会突然变小。因此，这就约束外套厚度不能太大，但也要尽可能的大，以此来降低最大接触压力。由此，可以得出最大接触压力对外套厚度T敏感。

(c)倒角深度h的灵敏度分析

令R₁＝15mm，R₂＝2mm，T＝37.5mm，α＝20°，以h为设计变量，分析h的变化对外套接触压力影响。随着倒角深度h变大，接触端部最大应力在变小，倒角深度h越大，对减小接触端部最大应力的作用越弱，因此最大接触应力对H的变化敏感。

(d)倒角半径R1的灵敏度分析

令h＝22.5mm，R₂＝2mm，T＝37.5mm，α＝20°，以R₁为设计变量，分析R1的变化对外套接触压力的影响。最大接触应力、最小接触应力对倒角半径R1十分敏感，最大径向位移对倒角半径的敏感程度较差。随着倒角半径R1的增大，最大接触应力、最小接触应力均出现下降，这也就限制了倒角半径R1的取值。因此在优化过程中对于倒角半径R1的容差要较小，避免倒角半径R1的过大变化。因此最大接触应力对R1的变化敏感。

(e)倒角半径R2的灵敏度分析

令h＝22.5mm，R₁＝15mm，T＝37.5mm，α＝20°，以R₂为设计变量，分析R₂的变化对外套接触压力的影响。最大接触应力、最小接触应力和最大位移对倒角半径R₂的变化都不是很敏感，因此倒角半径R₂作为设计变量，其在改变的过程中，并不会使目标函数更优或者改变约束条件，可以忽略。但是，考虑到本项目中所涉及到变量个数不是很大，也将其作为设计变量进行了优化。

表1靠近油腔各设计变量对目标函数的灵敏度分析

	R1	R2	h	T	α
						最大接触应力	敏感	不敏感	敏感	敏感	敏感
最小接触压力	敏感	不敏感	敏感	敏感	敏感

远离油腔各设计变量对目标函数的灵敏度分析：

(a)开槽位置Loc灵敏度分析

令h₃＝10mm，R₃＝5mm，β＝30°，以Loc为设计变量，分析Loc的变化对外套接触压力的影响。利用Isight软件进行设计变量开槽位置Location的循环分析，进而得到目标函数(接触端最大应力)和约束条件(接触最小应力)随Location的变化规律。通过分析得到，随着开槽位置的增大，最大接触应力在Loc＝393mm时出现最小值，此时最小接触应力并没有达到要求的压力。但是，随着开槽位置的增大，最小接触应力会趋于平均值时，最大接触应力又再增大。因此，需要通过优化算法寻找一个能够使得最大接触压力与最小接触压力均满足要求的最优解值，目标函数对loc敏感。

(b)倾斜角度β的灵敏度分析

令h₃＝10mm，R₃＝5mm，loc＝395mm，以β为设计变量，分析β的变化对外套接触压力的影响。通过分析得到，随着倾斜角度β的增大，最大接触应力与最小接触应力都在变小，而我们希望得到的是再最小接触应力不小于平均接触压力的前提下，最大接触压力越小越好。因此，目标函数对β敏感。

(c)倒角半径R₃的灵敏度分析

令β＝30°，h₃＝10mm，loc＝395mm，以R₃为设计变量，分析R₃的变化对外套接触压力的影响。通过分析得到：随着倒角半径R₃的增大最大接触应力在到达最小值以后，会再次增大；而最小接触应力会一直变小直到等于0。所以，目标函数对R₃敏感。

(d)开槽深度h₃的灵敏度分析

令β＝30°，R₃＝5mm，loc＝395mm，以h₃为设计变量，分析h₃的变化对外套接触压力的影响。由分析知随着开槽深度h₃的增大最大接触应力在到达最小值以后，会缓慢增大；而最小接触应力经过短暂的上升后会一直变小。所以，目标函数对h₃敏感。

表2远离油腔各设计变量对目标函数的灵敏度分析

	R3	h3	β	Location
					最大接触应力	敏感	敏感	较敏感	敏感
最小接触压力	敏感	敏感	不敏感	敏感

经过以上各参数的灵敏度分析，我们可以更好的对参数进行取值，以达到最优化设计的目的。

这一部分我们从优化数学模型、不同密度网格的对比、不同类型网格对比(三维和二维)以及设计变量的灵敏度分析等四个方面，针对某型联轴节为基准进行了讨论。下面我们将利用ANSYSAPDL语言建立联轴节的参数化模型，并结合Isight软件进行联轴节的优化设计。

(e)优化结果

应用Ansys的APDL语言编写参数化结构计算程序，将程序嵌入Isight中，建立Ansys集与Isight的集成优化模型如图8所示。其数据流程如图9所示，根据优化任务输入优化参数的初始值，通过DataExchanger改写模板文件通过Ansys进行求解计算，将结果文件通过DataExchanger读取给优化算法(ASA)判别是否满足目标函数要求，如不满足输出迭代后的优化参数更新值再次通过DataExchanger改写模板文件，如此往复直到优化解被求得。优化前后内套与外套接触压力沿轴向分布曲线如图10所示，从图中可以看出优化后内套外套接触边界处应力峰置大幅降低。

考虑到加工工艺，对优化后的尺寸进行圆整处理，得到圆整以后的优化模型(如图4、图5所示)：

T＝46.6mm

h＝18mm

R₁＝15mm

R₂＝4mm

α＝11.5°

Loc＝386mm

R₃＝3mm

h₃＝6mm

β＝26°

其中：α为倾斜角度，T为外套厚度，h为倒角深度，R₁为倒角半径，R₂为倒角，半径，Loc(Location)为开槽位置，β为倾斜角度，h₃为开槽深度，R₃为倒角半径。

Claims (2)

1.一种均匀接触应力液压联轴节，具有一个外套，其特征在于：所述外套分别设有靠近油腔端部的卸荷槽和远离油腔端部的卸荷槽，所述卸荷槽具有使外套的接触应力最低，同时满足传力要求的几何尺寸，优化后的外套靠近油腔端部的卸荷槽尺寸为：外套厚度T＝46.6mm，倒角深度h＝18mm，倾斜角度α＝11.5°，倒角半径R₁＝15mm，倒角半径R₂＝4mm；优化后的外套远离油腔端部的卸荷槽尺寸为：开槽位置Location＝386mm，倾斜角度β＝26°，开槽深度h₃＝6mm，倒角半径R₃＝3mm。

2.一种权利要求1所述的均匀接触应力液压联轴节的优化方法，其步骤为：

(1)建立联轴节数学优化模型

进油腔端部优化数学模型为：

minpress_max

s.t.press_min≥press_average

20≤T≤65

10≤h≤25

10≤R₁≤25

0≤R₂≤15

0°≤α≤25°

远离油腔端部的优化数学模型为：

minpress_max

s.t.press_min≥press_average

20°≤β≤40°

0≤h₃≤20

0≤R₃≤15

380≤Location≤400

(2)在计算和优化过程中，以接触端部的最大接触压力为目标，当端部的边界效应变小

以后相邻的接触压力也会变小，从而达到优化外套与内套接触处的接触应力；

(3)采用平面轴对称单元对联轴节进行分析和优化；

(4)联轴节优化尺寸的灵敏度分析：

a)倾斜角度α的灵敏度分析

b)外套厚度T的灵敏度分析

c)倒角深度h的灵敏度分析

d)倒角半径R₁的灵敏度分析

e)倒角半径R₂的灵敏度分析

f)开槽位置Loc灵敏度分析

g)倾斜角度β的灵敏度分析

h)倒角半径R₃的灵敏度分析

i)开槽深度h₃的灵敏度分析

经过以上各参数的灵敏度分析，对参数进行取值，随后进行Ansys与Insight集成优化计算；

(5)优化结果

由油腔端部接触压力迭代曲线收敛得到在满足相应的约束条件下，达到最有的最小的目标函数；并对优化后的尺寸进行圆整处理，得到圆整以后的优化模型和优化结果。