重载万向联轴器十字轴的疲劳分析及结构优化

摘要

本文以重载十字万向联轴器的十字轴为研究对象,利用动力学理论、疲劳强度理论、断裂力学理论以及弹塑性理论等,并综合运用CAE技术和正交试验设计原理对重载十字轴式万向联轴器的十字轴进行疲劳分析和结构优化。主要研究内容如下:
　　(1)利用有限元软件MSC.Patran和nMSC.Nastra对联轴器的万向节组件进行了非线性静力分析,获得万向节相关零部件的应力分布情况。根据分析结果可知,万向节中应力最大的部位位于十字轴的圆弧过渡处,最大等效应力为693MPa。根据分析结果判定十字轴发生了疲劳破坏,故应对十字轴进行疲劳分析。
　　(2)运用CAE技术,对十字轴进行模态分析,得到十字轴的前20阶固有频率及其固有振型。十字轴的前六阶模态为刚性模态,其第七阶的固有频率为1326.7Hz,工作过程中不会发生共振。因此,十字轴整体结构比较合理,满足设计要求。模态分析获得的模态信息是后续十字轴疲劳分析的基础。
　　(3)根据联轴器的实际工作状况的测试数据,并结合十字轴模态分析获得的模态中性文件,运用MSC.Adams软件对重载十字万向联轴器进行刚柔耦合建模及仿真。经过刚柔耦合分析,获得了十字轴的模态载荷谱文件,这些载荷谱文件能够为十字轴的疲劳分析提供必要的工况信息。
　　(4)采用失效分析技术,对断裂的十字轴进行断口分析和金相分析,进一步研究了十字轴的断裂与疲劳的关系。采用名义应力法,结合十字轴的模态信息和工况信息,利用疲劳分析软件eMSC.Fatigu对十字轴进行疲劳分析,预测十字轴的疲劳寿命。预测的寿命与十字轴的设计寿命基本一致。根据正交实验设计的基本原理,对十字轴关键结构参数进行局部范围的优化。优化后十字轴的最大应力降低了8.4％,疲劳寿命提高了9.7%。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 本课题的来源及研究目的

1.4 本文的主要研究内容

第二章 基于模态应力恢复的疲劳寿命预测理论

2.1 疲劳的基本概念

2.2 疲劳设计方法

2.3 基于模态应力恢复的疲劳寿命预测理论

2.4 基于模态应力恢复的十字轴疲劳寿命集成化分析路线

2.5 本章小结

第三章 联轴器关键零部件的有限元静态分析及模态分析

3.1 有限元分析的理论基础

3.2 重载十字万向联轴器结构形式

3.3 重载十字万向联轴器的几何模型

3.4 万向节部件的非线性静力分析

3.5 十字轴的模态分析

3.6 本章小结

第四章 重载十字万向联轴器刚柔耦合多体动力学仿真

4.1 多体系统动力学基本理论

4.2 联轴器多刚体动力学模型的建立

4.3 联轴器刚柔耦合多体动力学建模及仿真

4.4 本章小结

第五章 十字轴的疲劳寿命预测及结构优化

5.1 十字轴的宏观断口特征分析及金相分析

5.2 十字轴疲劳寿命预测

5.3 十字轴的结构优化

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况