舰船用高弹联轴器温度场研究及结构设计优化

发布时间：2020-10-09 21:23

　　弹性联轴器是轴系中经常使用的动力传动元件,用来调节系统的扭转振动特性,改变系统的固有频率以减轻振动避开共振,补偿一定的轴向、径向和角向位移,广泛应用于船舶、矿山等具备较大干扰力矩的传动轴系中。弹性联轴器中的橡胶元件自身的热传导性能极低,动态转矩下会产生大量的热功耗,若生热散热不均衡,会影响产品性能,缩短产品寿命和影响轴系运行的可靠性。因此研究高弹联轴器温度场具有重大现实意义。引入散热孔可以改善高弹联轴器散热性能,同时节省材料降低生产成本,但去除材料会降低试件的扭转刚度,变形量的增加又会导致生热量上升,如何权衡此矛盾关系,使得产品达到轻量化效果的同时改善试件的散热性能具有极富意义的工程价值。针对以上两点,本文主要进行了下面的研究。材料测试为研究高弹联轴器的力学性能和温度场提供基础信息。对橡胶材料进行单轴拉伸、双轴拉伸和平面拉伸实验,根据试验结果选择较合适的超弹本构模型。对橡胶材料进行动态热机械分析,拟合出损耗因子随温度变化的关系式,为粘弹损耗迭代提供数据依据,揭示了高弹联轴器动态载荷下的温度上升机理。传扭能力是联轴器最重要的性能表征,基于超弹本构模型进行静力学分析,得到高弹联轴器的静态扭转刚度,并为温度场计算中的内热源提供数据依据。基于粘弹本构模型进行温度场分析,得到动态载荷作用下高弹联轴器的三维稳态温度场和瞬态温度场,进一步分析得到不同工况下高弹联轴器的许用扰动转矩。基于静态扭转试验机进行静态扭转刚度实验,基于动态试验机进行温度场实验。对比分析实验结果和仿真结果的误差,验证本文采用的基于有限元分析的数值仿真方法的可行性。在此基础上研究了不同工况下的橡胶件温升情况,研究发现考虑损耗因子温度相关性的估算公式比将损耗因子视为定值的预测精度更高。橡胶件内部最大温升与表面最大温升存在定量关系,通过表面温度或运行工况的测量可直接估算内部温升情况,以监控联轴器性能和旋转轴系运行的可靠性。基于optistruct拓扑优化结果,设计出三种带有散热孔结构的新型高弹联轴器,对三种方案进行了强度分析和温度场分析确定最佳开孔方向。进一步分析了开孔位置,孔径大小和孔径差值对联轴器整体性能的影响,为新型联轴器及其它橡胶类产品的设计开发提供了理论依据。
【学位单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U674.703
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章绪论
    1.1 本文研究的背景及意义
    1.2 本课题研究现状与发展趋势
    1.3 本文的主要研究工作
第2章高弹联轴器橡胶材料参数的测试与表征
    2.1 概述
    2.2 橡胶材料超弹性本构模型的确定
        2.2.1 橡胶材料的单轴拉伸试验
        2.2.2 橡胶材料的平面拉伸试验
        2.2.3 橡胶材料的双轴拉伸试验
        2.2.4 本构模型的确立
    2.3 橡胶材料动态粘弹性分析试验
        2.3.1 动态热机械分析简介
        2.3.2 动态热机械分析实验
        2.3.3 测试结果与讨论
    2.4 本章小结
第3章高弹联轴器的强度和温度场有限元分析
    3.1 概述
    3.2 高弹联轴器的强度分析
        3.2.1 软件简介
        3.2.2 实体简化模型的建立
        3.2.3 有限元离散模型的建立
        3.2.4 静力学分析结果讨论
    3.3 橡胶材料温度场分析理论
        3.3.1 传热机理
        3.3.2 导热微分方程的推导
        3.3.3 热边界条件的表征与确定
        3.3.4 粘弹性材料的能耗
    3.4 高弹联轴器的温度场有限元分析
        3.4.1 热分析前处理
        3.4.2 稳态温度场分析结果讨论
        3.4.3 瞬态温度场分析结果讨论
        3.4.4 环境温度的影响
    3.5 本章小结
第4章高弹联轴器的扭转刚度和温度场试验研究
    4.1 概述
    4.2 静态扭转刚度实验
        4.2.1 实验准备及方案拟定
        4.2.2 仿真与试验的对比分析
    4.3 全局温度场试验
        4.3.1 实验准备及方案拟定
        4.3.2 仿真与试验的对比分析
    4.4 本章小结
第5章高弹联轴器的温度估算方法
    5.1 概述
    5.2 橡胶件内部温度估算公式
        5.2.1 不考虑损耗因子温度相关性的温升公式
        5.2.2 考虑损耗因子温度相关性的温升公式
    5.3 橡胶件表面温度估算公式
        5.3.1 不考虑损耗因子温度相关性的温升公式
        5.3.2 考虑损耗因子温度相关性的温升公式
    5.4 温度估算公式的应用
    5.5 本章小结
第6章高弹联轴器的结构设计优化
    6.1 概述
    6.2 高弹联轴器的拓扑优化
        6.2.1 拓扑优化理论
        6.2.2 优化方案模型的建立
        6.2.3 开孔方向的确立
    6.3 孔径参数对联轴器性能的影响
        6.3.1 开孔位置的影响
        6.3.2 孔径大小的影响
        6.3.3 孔径差值的影响
        6.3.4 优化后的实体模型
    6.4 本章小结
总结与展望
参考文献
攻读学位期间发表的学术论文和研究成果
致谢

【参考文献】