《化工设备设计基础》
课程设计
圆环形联轴器膜片的应力计算
指导教师： 王 悦 老 师 班级： 0 8 2 0 6 2 1 姓名： 陈 婷 婷 学号： 3 1
一、 工程背景
联轴器是用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。联轴器分别有圆环膜片型联轴器.齿式联轴器.轮胎式联轴器.星形弹性联轴器.梅花形弹性联轴器.万向联轴器几种类型，其中圆环形联轴器具有机械强度高、承载能力大、质量轻、结构尺寸小，传动效率和传动精度高、可靠性好、装拆方便，且具有无相对滑动，不需润滑，使用寿命长、无噪声、耐酸、碱、防腐蚀等特点，可用于高温、低温和有油、有水和腐蚀介质的工况环境。适用于中、高速、大转矩轴系传动。以及各种机械装置载荷变化不大的轴系传动，通用性极强。 下图是几种联轴器
联轴器 单节膜片联轴器 MK型圆形膜片联轴器
二、 ANSYS工程分析理论介绍
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
三、 主要技术参数及任务
有关技术参数
（1）单个膜片的结构尺寸如右图所 示。
（2）膜片数量17片 （3）工作参数 22 功率P400kW 转速n2660r.p.m （4）允许安装误差
允许的偏转角2 允许轴向位移X2.8 （5）材料为：1Cr18Ni9
材料密度7.9T/m3 杨氏模量E198GPa，泊松比0.3
图1. 结构尺寸图
课题任务
用ANSYS软件求圆环膜片由离心力所产生的应力 （1）离心惯性应力ANSYS应力计算流程 （2）有限元模型各节点的应力结果 （3）节点应力计算结果 （4）节点应力分析结果
四、 力学模型简化
在取出的1/4膜片边缘截面上采用固定约束处理；中间螺栓孔处根据不同工况分别固定径向位移和根据工作参数给定轴向位移；小孔边缘采用刚性域（加固）处理。膜片内外环边自由。 具体计算工况为：离心惯性力产生的离心应力。
高转速机械的离心惯性力在结构的应力计算中十分重要，该联轴器的转速为n2660r.p.m，其离心惯性力可以按径向体力f(2n/60)2r加载，方向沿径向向外，固定中间螺栓孔的径向位移、周向位移和轴向位移，周边无其他载荷作用。
图2. 模型简化图
4190234278五、 1/4有限元模型的建立
根据简化的力学模型，在ANSYS软件中建立实体模型。采用壳单元SHELL63进行有限元网格划分，生成有限元模型。
由于实际工作时在螺栓孔周边与法兰相连而得到加固，我们采用刚性域处理，周边小范围内厚度加大。边界条件和载荷按简化的力学模型给出。
ANSYS自动生成的有限元模型结点数为592，单元数为516，在螺栓孔附近应力梯度较大，所以节点较密、单元较小。而远离螺栓孔的地方，应力变化较缓，所以节点较疏，单元较大。有限元网格的划分情况和节点编码如图3-图10所示，在不同的计算流程中节点编码上可能存在微小差异，它并不影响应力的计算和分析，结果分析可根据对应点在模型中的具体位置（坐标）来确定。
图3. 整体有限元模型视图 图4. 中间孔附近有限元模型视图
图5. 左端部有限元模型视图 图6. 右端部有限元模型视图
图7. 中间孔下部有限元模型视图 图8. 中间孔上部有限元模型视图
图9. 左侧部分有限元模型视图 图10. 右侧部分有限元模型视图
六、 应力分析计算结果
（1）离心惯性应力ANSYS应力计算流程
/BATCH
/COM,ANSYS RELEASE 12.0.1 UP20090415 21:19:45 06/18/2011 /input,menust,tmp,'',,,,,,,,,,,,,,,,1 /GRA,POWER /GST,ON /PLO,INFO,3 /GRO,CURL,ON /CPLANE,1
/REPLOT,RESIZE WPSTYLE,,,,,,,,0 !* /NOPR /PMETH,OFF,0
KEYW,PR_SET,1 KEYW,PR_STRUC,1 KEYW,PR_THERM,0 KEYW,PR_FLUID,0 KEYW,PR_ELMAG,0 KEYW,MAGNOD,0 KEYW,MAGEDG,0 KEYW,MAGHFE,0 KEYW,MAGELC,0 KEYW,PR_MULTI,0 KEYW,PR_CFD,0 /GO !* /COM,
/COM,Preferences for GUI filtering have been set to display: /COM, Structural !* /PREP7 !*
ET,1,SHELL63!*
R,1,0.4, , , , , , RMORE, , , , RMORE
RMORE, ,!* !* MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0
MPDATA,EX,1,,198e3 MPDATA,PRXY,1,,0.3 MPTEMP,,,,,,,, MPTEMP,1,0
MPDATA,DENS,1,,7.9e-9 PCIRC,139,95,45,135, CYL4,0,117,11 CSYS,1
FLST,3,1,5,ORDE,1 FITEM,3,2
AGEN,2,P51X, , , ,45, , ,0 FLST,3,1,5,ORDE,1 FITEM,3,2
AGEN,2,P51X, , , ,-45, , ,0 FLST,3,3,5,ORDE,2 FITEM,3,2 FITEM,3,-4
ASBA, 1,P51X SAVE
FLST,5,4,4,ORDE,2 FITEM,5,17 FITEM,5,-20 CM,_Y,LINE LSEL, , , ,P51X CM,_Y1,LINE CMSEL,,_Y !*
LESIZE,_Y1, , ,20, , , , ,1 !* FLST,5,8,4,ORDE,5 FITEM,5,5 FITEM,5,-9 FITEM,5,12 FITEM,5,14 FITEM,5,-15 CM,_Y,LINE LSEL, , , ,P51X CM,_Y1,LINE CMSEL,,_Y !*
LESIZE,_Y1, , ,30, , , , ,1 !* FLST,5,2,4,ORDE,2 FITEM,5,1 FITEM,5,3 CM,_Y,LINE LSEL, , , ,P51X CM,_Y1,LINE CMSEL,,_Y !*
LESIZE,_Y1, , ,40, , , , ,1 !* MSHKEY,0 CM,_Y,AREA ASEL, , , , 5 CM,_Y1,AREA
CHKMSH,'AREA' CMSEL,S,_Y !* AMESH,_Y1 !* CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 !* ! Start of report captures. ~eui,'package require ansys'
~eui,'ansys::report::setdirectory \"file_report\"' /REPLOT,RESIZE /PLOPTS,MINM,OFF /REPLOT,RESIZE
~eui,'ansys::report::imagecapture {file Image 1} ' ~eui,'ansys::report::finished' /REPLOT,RESIZE /REPLOT,RESIZE FINISH /SOL
FINISH /PREP7 FINISH /SOL
FINISH /PREP7 FINISH /SOL
FLST,2,8,4,ORDE,6 FITEM,2,9 FITEM,2,12 FITEM,2,14
FITEM,2,-15 FITEM,2,17 FITEM,2,-20
FLST,2,12,4,ORDE,7 FITEM,2,5 FITEM,2,-9 FITEM,2,12 FITEM,2,14 FITEM,2,-15 FITEM,2,17 FITEM,2,-20 !* /GO
DL,P51X, ,ALL, CGLOC,0,0,0,
CGOMGA,0,278,0, DCGOMG,0,0,0, !* FINISH /POST1 FINISH /SOL
/STATUS,SOLU SOLVE
/DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST
/DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST
/DIST,1,1.08222638492,1 /REP,FAST
/DIST,1,0.924021086472,1 /REP,FAST
/DIST,1,0.924021086472,1 /REP,FAST FINISH /POST1 !* /EFACET,1
PLNSOL, S,EQV, 0,1.0 ! Start of report captures. ~eui,'package require ansys'
~eui,'ansys::report::setdirectory \"file_report\"' /REPLOT,RESIZE /PLOPTS,MINM,OFF /REPLOT,RESIZE
~eui,'ansys::report::imagecapture {file Image 2} '
~eui,'ansys::report::finished' /REPLOT,RESIZE /REPLOT,RESIZE !* PRNSOL,S,PRIN
SAVE,'xiaomi','db','F:\\anquanrenjizuoye\\' FINISH
! /EXIT,MODEL
（2）有限元模型各节点的应力结果
图1：整体有限元模型视图
图2：整体有限元模型应力分布图
（3）节点应力计算结果
***** POST1 NODAL STRESS LISTING ***** PowerGraphics Is Currently Enabled LOAD STEP=1 SUBSTEP= 1 TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0 SHELL NODAL RESULTS ARE AT TOP/BOTTOM FOR MATERIAL 1 NODE S1 S2 S3 SINT SEQV 250 1.3552 0.0000 -1.4787 2.8339 2.4550 250 1.3552 0.0000 -1.4787 2.8339 2.4550 251 1.3890 0.0000 -1.5715 2.9605 2.5655 251 1.3890 0.0000 -1.5715 2.9605 2.5655 252 1.4408 0.0000 -1.6611 3.1019 2.6886 252 1.4408 0.0000 -1.6611 3.1019 2.6886 253 1.4478 0.0000 -1.7563 3.2041 2.7791 253 1.4478 0.0000 -1.7563 3.2041 2.7791 254 1.4124 0.0000 -1.8460 3.2584 2.8302 254 1.4124 0.0000 -1.8460 3.2584 2.8302
255 1.3546 0.0000 -1.9304 3.2850 2.8594 255 1.3546 0.0000 -1.9304 3.2850 2.8594 256 1.2842 0.0000 -2.0024 3.2866 2.8688 256 1.2842 0.0000 -2.0024 3.2866 2.8688 257 1.2158 0.0000 -2.0469 3.2627 2.8560 257 1.2158 0.0000 -2.0469 3.2627 2.8560 258 1.1453 0.0000 -2.0841 3.2293 2.8358 258 1.1453 0.0000 -2.0841 3.2293 2.8358 259 1.0702 0.0000 -2.1137 3.1839 2.8063 259 1.0702 0.0000 -2.1137 3.1839 2.8063
***** POST1 NODAL STRESS LISTING ***** PowerGraphics Is Currently Enabled LOAD STEP= 1 SUBSTEP= 1 TIME= 1.0000 LOAD CASE= 0 SHELL NODAL RESULTS ARE AT TOP/BOTTOM FOR MATERIAL 1 NODE S1 S2 S3 SINT SEQV
278 0.0000 -0.14953 -0.58083 0.58083 0.52237 279 0.0000 -0.10084 -0.43477 0.43477 0.39414 279 0.0000 -0.10084 -0.43477 0.43477 0.39414 280 0.0000 -0.46501E-01-0.26506 0.26506 0.24514 280 0.0000 -0.46501E-01-0.26506 0.26506 0.24514 281 0.65010E-01 0.0000 -0.49679E-01 0.11469 0.99619E-01 281 0.65010E-01 0.0000 -0.49679E-01 0.11469 0.99619E-01 282 1.3695 0.33268 0.0000 1.3695 1.2372 282 1.3695 0.33268 0.0000 1.3695 1.2372 283 0.45809E-01 0.0000 -0.15577E-01 0.61386E-01 0.55269E-01 283 0.45809E-01 0.0000 -0.15577E-01 0.61386E-01 0.55269E-01 284 0.11040 0.0000 -0.72484E-01 0.18288 0.15951 284 0.11040 0.0000 -0.72484E-01 0.18288 0.15951 285 0.16515 0.0000 -0.99808E-01 0.26496 0.23177 285 0.16515 0.0000 -0.99808E-01 0.26496 0.23177 286 0.22417 0.0000 -0.13013 0.35430 0.31041 286 0.22417 0.0000 -0.13013 0.35430 0.31041 287 0.26169 0.0000 -0.15360 0.41529 0.36369 287 0.26169 0.0000 -0.15360 0.41529 0.36369 288 0.30132 0.0000 -0.16189 0.46321 0.40716 288 0.30132 0.0000 -0.16189 0.46321 0.40716 289 0.34736 0.0000 -0.16842 0.51578 0.45555 289 0.34736 0.0000 -0.16842 0.51578 0.45555 MINIMUM VALUES
NODE 1 48 1 283 283
VALUE 0.0000 -0.40526 -2.3634 0.61386E-01 0.55269E-01
MAXIMUM VALUES
NODE 377 315 7 256 256
VALUE 1.4782 0.39169 0.0000 3.2866 2.8688
(4)节点应力分析结果
从应力分布图及数据表中可以看出，最大的mises应力(等效应力)在螺栓孔的圆周内表面上，节点号为256，数值是2.869MPa;最小应力在螺栓孔，节点号为283，数值是0.55269MPa。在联轴器上，应该减少最大应力，使联轴器受力平衡，增强安全性能及延长使用寿命。
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