法兰式液压联轴器抗冲击性能分析

张晓阳，陈汝刚，解忠良，饶柱石

（1.海军驻大连426厂军事代表室，辽宁　大连116041；2.中国舰船研究设计中心，武汉430064；3.上海交通大学　机械系统与振动国家重点实验室，上海200240）

法兰式液压联轴器抗冲击性能分析

张晓阳1，陈汝刚2，3，解忠良3，饶柱石3

（1.海军驻大连426厂军事代表室，辽宁大连116041；2.中国舰船研究设计中心，武汉430064；3.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海200240）

法兰式液压联轴器作为船舶动力传递的关键部件，在造船工业中得到越来越广泛的应用，但目前对其抗冲击特性的研究较少。基于非线性接触理论，建立某法兰式液压联轴器接触分析模型，获得最大扭矩工况下联轴器各部件的应力分布。在此基础上，基于现代冲击理论，分别采用频域法和时域法对其进行抗冲击特性分析。计算得到该液压联轴器在冲击载荷作用下的应力分布，为船舶设备的抗冲击评估和设计提供依据。研究结果表明，该液压联轴器符合抗冲击性能要求。

振动与波；法兰式液压联轴器；接触应力；抗冲击；频域；时域

现代舰船在海战中必然会面临非接触爆炸引起的冲击破坏问题。随着导弹、激光炸弹和水中兵器的发展，爆炸当量和冲击持续时间明显增加。精确制导技术的应用大大提高了武器命中率，使舰船冲击环境进一步恶化［1］。在冲击环境下舰载设备可能由于无法承受大的加速度和位移而遭到破坏，从而导致舰船丧失战斗力，处于被动局面。因此，提高舰载设备的抗冲击能力对提高舰船生命力和战斗力具有重大意义［2，3］。法兰式液压联轴器是舰船动力传递的关键部件，在舰船设备中占有重要地位，在冲击安全级别中属A级（最高级）设备。因此，开展舰用法兰式液压联轴器抗冲击性能研究，对提高舰船生命力和战斗力具有重大意义。

1　液压联轴器工作原理

法兰式液压联轴器可避免因采用键槽而对轴系强度产生的削弱，且传递扭矩大、对中性好。常用的液压联轴器一般分为套筒式和法兰式，其工作原理相同。液压联轴器的核心部件由两个钢制套管组成，一个较厚的外套和一个较薄的内套，如图1所示。内套外表面和外套内表面具有相同的锥度。液压联轴器安装时利用径向油压，使外套和内套均产生弹性变形（外套扩大，内套收缩）。在轴向油压推动下，外套逐渐向锥面大端移动。当外套到达设计位置后，释放径向油压，因弹性变形的作用致使外套、内套和轴相互抱紧。工作时依靠过盈配合面间的摩擦力传递轴的扭矩。

图1　液压联轴器结构组成

2　抗冲击原理

2.1频域分析法

频域分析法是将设计冲击谱作为系统的冲击输入，并对系统数学模型进行模态分析，对模态分析结果进行合成，从而求得系统的冲击响应［4］。常用的频域分析法是动态设计分析法（Dynamic Design Analysis Method，DDAM）。载荷谱的获得可参考GJB1060.1。设计冲击谱随舰艇类型、设备安装位置以及设备各级模态质量的不同而不同。舰用液压联轴器属于A类设备，计算公式如下所示。

式中A0——加速度，m/s2；V0——速度，m/s；ma——模态质量，t。

根据GJB1060.1要求，采用NRL方法进行模态合成，如下式所示

式中xib——任一阶模态的最大响应；xia——对应a阶模态的响应；xi——合成后的响应。

频域抗冲击计算最终结果为频域动力学计算结果与设备连续工作应力之和［5］。液压联轴器由于过盈配合产生的接触应力及传递扭矩产生的应力均为连续工作应力，故计算结果应包含这些应力值。

2.2时域分析法

DDAM法最大优点是节约计算资源，但也存在不足之处，如不能考虑阻尼效应、不能考虑非线性效应和间隙效应等。时域分析法是目前国内外广泛应用的一种计算方法。该方法采用实测的时间历程曲线或标准的基础输入时程曲线作为设备的冲击输入载荷，对设备进行瞬态动响应分析。时域分析法可以对各种非线性因素进行精确仿真［8］。本次研究采用德国舰船冲击标准BV043/1985中规定的双三角加速度时间历程曲线，如图2所示。

图2　双三角形时域曲线

根据BV043/1985要求，相关参数计算方法如下：

（1）设备质量小于5 t的隔离系统，抗冲击指标见表1。

表1　 BV043/1985抗冲击谱

（2）对于设备质量大于5 t的隔离系统，冲击谱速度和加速度需要进行折减，折减的公式为

式中m——隔离安装的设备质量，t；m0——质量常数，恒等于5 t；A——折减后的加速度谱值，g；V—折减后的速度谱值，m/s。

计算输入载荷依据表2和图2来确定，图2为从冲击谱转换为等效的时域加速度曲线。图中的参数计算方法如下所示。

表2　时域冲击波参数

3　数值建模

3.1接触应力分析数值建模

法兰式液压联轴器接触应力分析模型如图3所示。联轴器各部件已处于装配完成时的相对位置。联轴器外套和内套、内套与传动轴之间形成过盈配合。在上述过盈配合面之间建立接触关系［9］，并通过接触面间的几何过盈量来模拟接触面间的接触应力。

施加边界条件时，连接法兰端面固支。定义一个参考点，并与另一传动轴端面建立耦合关系。通过在参考点施加最大工作扭矩来模拟传动轴所传递的扭矩值。

图3　接触应力计算网格模型

3.2抗冲击分析数值建模

法兰式液压联轴器抗冲击模型包括传动轴、连接轴、法兰式液压联轴器、液压螺栓（液压螺栓设计原理同液压联轴器，由套筒、螺杆、螺母组成；本模型中共含15个液压螺栓），如图4所示。液压联轴器与轴悬空连接，冲击载荷经支承轴承从两个轴端输入。传动轴及连接轴两端面固支约束。

图4　抗冲击计算模型

（1）由于DDAM法不能考虑非线性因素，因此，采用DDAM法时联轴器内套与轴、联轴器内套与外套、液压螺栓套筒与螺杆、液压螺栓套筒与螺栓孔等接触面之间的关系均采用Tie。

（2）采用时域法建模时，同样固支传动轴及连接轴两端面，三角冲击波施加在两个轴端面上。为了精确计算联轴器抗冲击响应，并减少计算规模，联轴器内套与轴接触面间、联轴器内套与外套接触面间定义过盈配合关系，接触面之间用Contact定义。其余接触面间采用Tie连接。

4　材料属性及计算工况

以某型舰船用法兰式液压联轴器为分析对象，对其最大扭矩工况下的接触应力及抗冲击性能进行研究。液压联轴器各部件及轴的材料属性如表3所示。最大扭矩工况下推进轴系所传递的扭矩值为3 600 kNm，推力为1 700 kN。

表3　各部件材料属性

4　计算结果分析

4.1接触应力计算结果

最大扭矩工况下，液压联轴器接触应力仿真计算结果如下所示。

图5　最大扭矩工况下外套应力分布云图

图6　最大扭矩工况下内套应力分布云图

从以上结果分析可知，整个结构最大应力出现在内外套接触边缘。外套最大值为648.6 MPa，内套为333.5 MPa。液压联轴器所有零件应力均小于材料屈服极限。

4.2频域法计算结果

抗冲击计算无论频域还是时域都应该进行垂向、纵向和横向的评估。由于垂向冲击破坏最大，本文只对垂向结果进行分析。垂向冲击应力综合结果，外套最大应力出现在节点2 763处，为703.89 MPa，内套最大应力出现在节点5 932处，为335.47 MPa。依据GJB 1060.1规定抗冲击分析应力应小于材料屈服强度，故联轴器内外套均符合抗冲击要求。

图7　垂向冲击整体模型应力分布云图

图8　垂向冲击外套应力分布云图

图9　垂向冲击内套应力分布云图

4.3时域法计算结果

时域法子模型计算结果如下所示。对图12、图13应力时历曲线进行分析，发现时域计算中外套与内套最大应力分别为738.37 MPa和373.10 MPa，出现在1 ms和10 ms时刻，均未超出材料屈服强度。

综合上述结果，频域与时域分析相符，联轴器承受垂向冲击作用时薄弱环节出现在内套与外套相互接触面的两端附近。

5　结语

基于非线性接触理论，建立液压联轴器接触应力分析模型，获得液压联轴器在最大扭矩工况下的

图10　 0.603 ms时外套应力分布

图11　 10.863 ms时内套应力分布

图12　时域分析时联轴器外套某危险点（节点2 763）应力时历曲线

图13　时域分析时联轴器内套某危险点（节点5 932）应力时历曲线

应力分布。基于现代冲击理论，建立液压联轴器抗冲击分析模型，分别对某法兰式液压联轴器进行频域和时域抗冲击性能的仿真计算。通过对数值计算结果的分析，可以得出以下结论：

（1）经分析发现，该液压联轴器抗冲击薄弱环节在内外套的接触边缘即外套尖角处。这里易产生应力集中，在设计加工过程中应采取相应措施加以避免；

（2）抗冲击结果分析时，频域及时域分析该联轴器都符合抗冲击性能要求。对内外套相同节点应力对比发现，两种方法计算结果比较接近。这样也达到了相互验证的作用，证明计算结果可信。

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Analysis of theAnti-shock Performance for Flanged Hydraulic Couplings

ZHANG Xiao-yang1，CHEN Ru-gang2，3，XIE Zhong-liang3，RAO Zhus-hi3

（1.Naval Military Representative Office in 426 Plant，Dalian 116041，Liaoning China；2.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China；3.State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

Flanged hydraulic coupling is an important junction of the power transmission system and is being widelyused in modem naval shafting system.However，only few researches on its anti-shock performance have been done.In this paper，a finite element model of a flanged hydraulic coupling was built based on the nonlinear contact theory.Distribution of the contact stress was obtained in the working condition of the maximum torque.Furthermore，based on modern impact theory，the anti-shock performance of the coupling was studied in both frequency domain and time domain.The stress distribution was obtained from the anti-shock simulation.The results indicate that the design of the flanged hydraulic coupling can meet the requirement of the anti-shock performance.This work provides a database for anti-shock design and evaluation of ship's devices.

vibrationandwave；flangedhydrauliccoupling；contactstress；anti-shock；frequencydomain；timedomain

TH133.4

ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.05.003

1006-1355（2015）05-0021-04+47

2014－12－02

张晓阳（1985－），男，辽宁大连人，主要研究方向：船舶动力装置特性研究。

陈汝刚，男，博士，工程师。

E-mail:rgchen@sjtu.edu.cn