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隨著CAD/CAE技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元分析在機械設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用，借助于有限元分析，可以快速分析產(chǎn)品中應(yīng)力集中區(qū)域，提高產(chǎn)品設(shè)計的合理性，縮短設(shè)計周期，降低產(chǎn)品成本。車載取力發(fā)電裝置中取力軸的主要功能是通過底盤取力口取力，驅(qū)動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機發(fā)電。取力軸法蘭作為發(fā)電機與取力軸之間的連接紐帶，其選型的合理性將直接影響產(chǎn)品的可靠性。
本文以某取力發(fā)電裝置連續(xù)運行過程中法蘭撕裂問題為背景對取力軸法蘭優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行分析。首先使用Pro/E對撕裂的取力軸法蘭建模，然后通過接口導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行有限元分析，對撕裂法蘭進(jìn)行強度以及疲勞分析，并對撕裂法蘭進(jìn)行優(yōu)化，提出取力軸法蘭優(yōu)化設(shè)計方案。
該取力發(fā)電裝置中，發(fā)電機的額定功率為120kW，實際運行工況為30kW、60kW、90kW、120kW逐級增加然后再依次減小，如圖1為實測扭矩曲線，由實測扭矩曲線可知，取力軸扭矩最大尖峰值可達(dá)1600N.m。取力軸的基本參數(shù)如表1所示。根據(jù)取力軸的基本參數(shù)以及扭矩時域曲線可知，該取力軸扭矩可以滿足使用要求，但按實際運行工況運行10個循環(huán)后，取力軸法蘭發(fā)生撕裂，如圖2所示為撕裂法蘭圖片。
根據(jù)取力軸法蘭的二維圖紙繪制取力軸法蘭的三維模型，在法蘭耳孔內(nèi)徑增加一個圓柱銷，便于施加扭矩，其他不變，取力軸法蘭模型如圖3所示。
根據(jù)實際使用工況，對取力軸法蘭施加如下邊界條件：a)圓柱銷簡化為剛體，并在圓柱銷上施加1N.m的載荷；b)法蘭面上四個螺栓孔固定；c)圓柱銷與法蘭耳孔處設(shè)置為面－面接觸。根據(jù)上述邊界條件對取力軸法蘭進(jìn)行有限元分析，整體網(wǎng)格密度為2mm，锪孔處網(wǎng)格密度為0.5mm。法蘭結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布如圖5所示。由仿真結(jié)果可知，法蘭應(yīng)力最大點出現(xiàn)在法蘭锪孔附近，約為0.425MPa，則當(dāng)扭矩為1600N.m時，應(yīng)力約為680MPa，超過45鋼的抗拉強度極限600MPa，造成法蘭撕裂，與實際破壞時裂紋的起源位置相吻合。以圖1所示實測扭矩曲線的一個加載循環(huán)為輸入載荷，對法蘭模型進(jìn)行疲勞分析，得到法蘭結(jié)構(gòu)整體壽命云圖如圖6所示。從圖中可以看出，法蘭結(jié)構(gòu)的低壽命區(qū)域分布在锪孔附近，最小壽命出現(xiàn)在锪孔的根部，壽命值為101.069=11.7周次，即法蘭結(jié)構(gòu)在承受11.7次上述循環(huán)后發(fā)生疲勞失效。
通過上述仿真分析可知，在實際使用工況下，法蘭锪孔處應(yīng)力較為集中，锪孔處的壽命值僅為11.7個周次，因此不符合設(shè)計要求。在損壞的法蘭模型中，锪孔處的倒圓近乎為零，造成應(yīng)力較為集中。根據(jù)仿真結(jié)果，對取力軸法蘭進(jìn)行優(yōu)化，在考慮現(xiàn)行工藝可實現(xiàn)的情況下，在锪孔處合理增加倒圓以提高法蘭整體的壽命，降低锪孔處的應(yīng)力。
根據(jù)上述分析，在法蘭模型的锪孔處增加R=0.8的倒圓，以相同條件進(jìn)行仿真計算，其應(yīng)力分布云圖以及壽命云圖分別如圖7和圖8所示。
從圖中可以看出，應(yīng)力的最大點出現(xiàn)在锪孔處，應(yīng)力約為0.292MPa，最小壽命約為101.242=17.5周次，較原始模型相比，情況有所改善。
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