柔性膜盘联轴器的动力学特性与结构优化仿真研究

摘要

膜盘联轴器是一种联接轴与轴或轴与其它回转零件以实现传递运动和动力的装置，主要由膜盘、套筒、轮毂、保护罩等零部件组成。柔性膜盘联轴器作为一种新型高性能的弹性联轴器，不仅能通过膜盘的弹性变形来补偿两轴间的径向、轴向及角向等不对中情况，同时，对传动系统有缓冲和减振作用，并且还具有无需润滑、重量轻、可靠性高、寿命长等一系列优点。广泛应用在大型化工设备、军事等大功率、高转速领域。膜盘联轴器结构复杂，膜盘损坏导致的联轴器失效将直接影响传动系统的正常工作，甚至造成严重的安全事故。因此，对膜盘联轴器进行有限元静力学分析、动力学仿真和结构优化设计的研究有重要的工程应用价值。 论文的主要研究内容如下: 第一章主要对膜盘联轴器的优点进行展开分析，介绍了膜盘联轴器的国内外研究和应用现状，并提出本论文对膜盘联轴器的研究方法和内容。 第二章以Jeffcott转子涡动理论为基础，研究了两端弹性支承单盘偏置非对称转子系统的涡动现象与特性。利用Lagrange方程和能量法建立弹性支承下偏置转子系统的稳态涡动微分方程并依次研究各向同性和异性的弹性支承、交叉刚度、偏置量、支承质量、转轴弯曲刚度等因素对转子系统各阶临界转速的影响。 第三章通过对柔性膜盘联轴器的结构和特点进行阐述，运用合理的简化方法对膜盘联轴器进行局部简化，建立了简化的柔性膜盘联轴器整体有限元模型，在此基础上研究了各工况下膜盘联轴器的整体模态特性，为膜盘联轴器的安全、稳定运行提供理论依据。 第四章利用ABAQUS有限元分析方法，研究了膜盘联轴器不同支承方式对膜盘部件等效静应力的影响关系和各工况下膜盘的静应力，同时，采用动力学分析模块对膜盘联轴器在不同工况下的动力学特性进行研究，分别获得了各工况下膜盘上重要部位的动力学参数变化规律。 第五章针对膜盘联轴器的结构特点采用密度法对其进行结构拓扑优化分析。首先，建立用于拓扑优化的有限元模型，然后对其进行静强度分析，之后再对膜盘联轴器套筒进行拓扑优化，最后对优化前后的膜盘联轴器进行对比分析，最终获得轻量化的膜盘联轴器优化模型。 第六章论文的研究结论。

目录

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摘要

第1章绪论

1．1课题的研究背景及意义

1．2膜盘联轴器国内外研究现状

1．3研究方法及内容

第2章弹性支承非对称偏置转子系统动力学特性分析

2．1弹性支承非对称偏置转子涡动微分方程的建立

2．2计算结果及分析

2．2．1不同支承刚度对转子系统临界转速的影响

2．2．2不同交叉刚度对转子系统临界转速的影响

2．2．3不同偏置量对转子系统临界转速的影响

2．2．4不同支承质量对转子系统临界转速的影响

2．2．5不同弯曲刚度对转子系统临界转速的影响

2．3本章小结

第3章膜盘联轴器模态分析

3．1联轴器的三维实体模型

3．2膜盘联轴器的简化模型

3．3膜盘联轴器有限元模型

3．4 ABAQUS模型有限元模态分析

3．4．1结构模态分析理论

3．4．2自由模态

3．4．3膜盘联轴器临界转速分析

3．4．4膜盘联轴器装配误差下的预应力模态

3．4．5膜盘联轴器在过载工况下的预应力模态

3．4．6膜盘联轴器极限工况下的预应力模态

3．5本章小结

第4章膜盘联轴器的应力和响应分析

4．1膜盘联轴器静应力分析

4．1．1膜盘联轴器径向错位下的应力

4．1．2膜盘联轴器轴向错位下的应力

4．1．3膜盘联轴器额定转速下的应力

4．1．4膜盘联轴器负载应力

4．1．5膜盘联轴器轴向1G过载下的应力

4．1．6膜盘联轴器横向3G过载下的应力

4．2膜盘联轴器的动态分析

4．2．1膜盘联轴器额定转速下的动响应分析

4．2．2膜盘联轴器额定工况下的动响应分析

4．2．3膜盘联轴器横向3G过载下的动响应分析

4．2．4膜盘联轴器轴向1G过载下的动响应分析

4．3本章小结

第5章膜盘联轴器的结构优化

5．1基于ABAQUS中ATOM模块的拓扑优化

5．2结构优化方法

5．2．1术语

5．2．2密度法

5．2．3目标函数

5．2．4约束函数

5．2．5优化定义

5．2．6 ABAQUS／CAE结构优化步骤

5．3膜盘联轴器的结构优化

5．4试车实验

5．5本章小结

第6章结论

参考文献

致谢