隨著(zhù)CAD/CAE技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元分析在機械設計中得到了廣泛的應用，借助于有限元分析，可以快速分析產(chǎn)品中應力集中區域，提高產(chǎn)品設計的合理性，縮短設計周期，降低產(chǎn)品成本。車(chē)載取力發(fā)電裝置中取力軸的主要功能是通過(guò)底盤(pán)取力口取力，驅動(dòng)發(fā)電機旋轉至額定轉速，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)電裝置連續運行過(guò)程中法蘭撕裂問(wèn)題為背景對取力軸法蘭優(yōu)化設計進(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(guò)接口導入到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)化設計方案。
      該取力發(fā)電裝置中，發(fā)電機的額定功率為120kW，實(shí)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(shí)測扭矩曲線(xiàn)，由實(shí)測扭矩曲線(xiàn)可知，取力軸扭矩最大尖峰值可達1600N.m。取力軸的基本參數如表1所示。根據取力軸的基本參數以及扭矩時(shí)域曲線(xiàn)可知，該取力軸扭矩可以滿(mǎn)足使用要求，但按實(shí)際運行工況運行10個(gè)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，在法蘭耳孔內徑增加一個(gè)圓柱銷(xiāo)，便于施加扭矩，其他不變，取力軸法蘭模型如圖3所示。
      根據實(shí)際使用工況，對取力軸法蘭施加如下邊界條件：a)圓柱銷(xiāo)簡(jiǎn)化為剛體，并在圓柱銷(xiāo)上施加1N.m的載荷；b)法蘭面上四個(gè)螺栓孔固定；c)圓柱銷(xiāo)與法蘭耳孔處設置為面－面接觸。根據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。法蘭結構應力分布如圖5所示。由仿真結果可知，法蘭應力最大點(diǎn)出現在法蘭锪孔附近，約為0.425MPa，則當扭矩為1600N.m時(shí)，應力約為680MPa，超過(guò)45鋼的抗拉強度極限600MPa，造成法蘭撕裂，與實(shí)際破壞時(shí)裂紋的起源位置相吻合。以圖1所示實(shí)測扭矩曲線(xiàn)的一個(gè)加載循環(huán)為輸入載荷，對法蘭模型進(jìn)行疲勞分析，得到法蘭結構整體壽命云圖如圖6所示。從圖中可以看出，法蘭結構的低壽命區域分布在锪孔附近，最小壽命出現在锪孔的根部，壽命值為101.069=11.7周次，即法蘭結構在承受11.7次上述循環(huán)后發(fā)生疲勞失效。
      通過(guò)上述仿真分析可知，在實(shí)際使用工況下，法蘭锪孔處應力較為集中，锪孔處的壽命值僅為11.7個(gè)周次，因此不符合設計要求。在損壞的法蘭模型中，锪孔處的倒圓近乎為零，造成應力較為集中。根據仿真結果，對取力軸法蘭進(jìn)行優(yōu)化，在考慮現行工藝可實(shí)現的情況下，在锪孔處合理增加倒圓以提高法蘭整體的壽命，降低锪孔處的應力。
      根據上述分析，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，應力的最大點(diǎn)出現在锪孔處，應力約為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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