RADIOSS联轴器结构件仿真研究
有限元方法和软件在结构分析中占据了极其重要的位置。本文利用HyperMesh为前处理建立了以六面体单元为基础的有限元模型。重点考虑弹性体的建模，模拟联轴器系统的实际工况。使用RADIOSS求解器对螺钉和橡胶弹性体的应力、应变进行了有限元计算，评价了零件的强度、刚度等指标。
1前言
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。
某型发动机的联轴器如图1所示，它的初始设计是碳纤维管的两端均布6个M8的螺钉，其主要失效形式是在较大的转矩作用下螺钉被压溃或剪断。为了减少或避免螺钉失效，在碳纤维管的两端采用12个M8的螺钉交叉均布的结构，利用有限元方法分析结构改进后螺钉的强度特性。
橡胶弹性体的主要作用是吸收发动机启动及转速不平稳时产生的震动，从而使机构运行较为平稳。影响橡胶弹性体吸收震动能力较大的因素就是它的刚度特性，在0～800Nm连续工况下分析橡胶弹性件的刚度变化。
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图1联轴器结构示意图
2联轴器有限元模型的建立
联轴器的三维模型是运用Proe建立的，导入HyperWorks10.0软件的HyperMesh模块对3D模型简化后进行网格划分建立有限元模型，如图2所示。其中，由于花键在工作过程中没有明显失效现象，所以将花键简化为圆柱面。螺纹取其中径大小以圆柱代替。
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图2联轴器有限元模型
为了提高模型计算的精确性，采用了一阶六面体单元。该模型的弹性体总成外壳最小壁厚为4mm，分为4层划分，因此最小网格边长≥1mm。输入端和输出端法兰盘的刚性单元和螺钉预紧采用RBODY模拟，如图3所示。在发生接触的各个面都设置相应的接触单元。联轴器材料参数：钢结构件都选择M1_ELAST材料卡片，弹性模量E=210000MPa，泊松比u=0.3，密度ρ=7.9×10-9t/mm3；碳纤维管弹性选择M2_PLAS_JOHNS_ZERIL材料卡片，模量E=160000MPa，泊松比u=0.28，密度p=1.6×10-9t/mm3，屈服应力σ0=1300Mpa，硬度参数K=1300Mpa，硬度指数n=0.5；对橡胶弹性件，采用较为普遍的Mooney-Rivlin模型，选择M42_OGDEN材料卡片，密度ρ=6×10-9t/mm3，泊松比u=0.495，对于不可压缩的Mooney-Rivlin模型的应变势能可由如下方程计算：
W=C10(l1-3)+C01(l2-3)
其中μ1=2×C10=0.586，μ2=-2×C01=-0.354，l1和l2为应力张量的第一和第二不变量。
3螺钉强度分析工况和约束条件
在静力分析中，如果不关心集中载荷作用节点处的应力，根据圣维南原理，可以用等效集中载荷代替静力分布载荷添加在模型上，虽然这样对载荷附近的局部特性有影响，但是对整个结构的性能影响不大。
对建立的有限元模型施加边界约束和载荷信息，建立分析模型并进行有限元分析计算。发动机的功率输出端联接在联轴器的输入端的法兰盘上，转矩经过橡胶弹性体、花键和碳纤维管支撑套后，作用在螺钉上，产生了螺钉载荷。该联轴器的主要失效形式是螺钉被压溃或剪断，碳纤维管的24个螺钉连接所受的剪切应力为重点考虑对象。为了简化计算可将碳纤维管的输入端，碳纤维管支撑套及12个螺钉分离出来单独建模，如图3所示。将碳纤维管端面的外圆节点和花键法兰盘的内圆面节点用刚性单元连接到各自的中心节点上，固定约束碳纤维管端的中心节点，在法兰盘上施加800Nm的转矩，以此将联轴器的动态问题转化为静力分析。建立完成有限元分析模型，提交RADIOSS进行静强度分析。
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图3碳纤维管输入端的有限元模型
4橡胶弹性体刚度分析
橡胶弹性体的刚度是影响联轴器吸振能力的主要因素。在不影响结果的情况下将联轴器输入端的橡胶弹性体总成及与发动机相连的法兰盘等分离出来，如图4所示。发动机接盘的外圆节点及螺孔节点和花键的内圆面节点连接到各自的中心节点上。将模型的连接盘中心节点约束固定，在花键的中心节点上施加0～800Nm的转矩，提交RADIOSS进行分析。
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图4橡胶弹性体的有限元模型
5结果分析
根据http://www.huisheliren.com/zixun/上面所建立的碳纤维管输入端的有限元模型，计算螺钉承受的800Nm载荷条件下的应力。模型求解完毕以后，使用后处理软件HyperView查看螺钉的应力大小以及整个结构的变形和应力分布情况等。轮毂在800Nm的载荷作用下的单元应力分布如图5所示，从螺钉应力云图中可以看出，螺栓出现的最大主应力值为213.7MPa，小于螺栓材料的屈服极限。
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图5螺钉应力云图
根据上面所建立的橡胶弹性体的有限元模型，计算橡胶弹性体承受的0～800Nm载荷条件下的变形。模型求解完毕以后，使用后处理软件HyperView查看橡胶弹性体的最大变形和应力分布情况等。橡胶弹性体在800Nm的载荷作用下的变形云图如图6所示。
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图6橡胶弹性体的最大变形云图
使用后处理软件HyperGraph生成橡胶弹性体的扭转刚度曲线，如图7所示。由橡胶弹性体的扭转刚度曲线可知，在0～800Nm载荷条件下橡胶弹性体的扭转刚度呈线性规律变化。以此表明，橡胶弹性体在该载荷条件下不会失效。
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图7橡胶弹性体扭转刚度曲线
6结论
本文基于有限元基本理论，采用HyperWorks系列软件建立了联轴器的螺栓和橡胶弹性体有限元模型，计算出联轴器螺栓的强度和橡胶弹性体的刚度等信息。结果表明：该联轴器的螺钉满足强度要求，橡胶弹性体的刚度特性满足刚度要求，可以试制产品。
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