﻿ 基于DDAM的套筒式液压联轴器抗冲击性能及影响因素分析
 舰船科学技术  2023, Vol. 45 Issue (10): 51-57    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2023.10.011 PDF

1. 华中科技大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074;
2. 中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

Study on influencing of anti-impact performance of sleeve hydraulic coupling based on DDAM
CAO Jian1, SUN Feng2, SHEN Shuai2, SUN Wei1, YE Xiao-ming1, TONG Yan-jia1, PAN Na1
1. School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;
2. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China
Abstract: In this paper, the impact resistance numerical model of a sleeve hydraulic coupling is established based on DDAM method. And the impact resistance performance is evaluated by analyzing the impact response of main components under different impact loads. What's more, the influencing factors of the impact resistance of the hydraulic coupling are studied, including the relative arrangement position, the length diameter ratio, the weight ratio of the shaft section to the coupling and the connection mode of the end face of the shaft section. Furthermore, the influence of the above factors on the impact resistance of hydraulic coupling is analyzed through orthogonal experiment. The results show that the impact response of the components is the largest under the vertical impact load. The impact stress of the inner sleeve is the largest, which shows that the inner sleeve is the most sensitive part of the hydraulic coupling. Compared with the fixed constraint boundary condition, the end face constraint boundary condition of the shaft segment, which simulates the oil film stiffness through the spring, will lead to an increase in the stress of the hydraulic coupling. In addition, the weight of the connecting shaft segment and the relative location of the hydraulic coupling have a significant impact on the calculation results of the impact stress. The larger the overall mass is, the closer the location of the hydraulic coupling is to the middle of the two shaft segments, the greater the impact stress value will be.
Key words: DDAM     anti-impact performance     hydraulic coupling     orthogonal experiment
0 引　言

1 抗冲击性能基础理论

DDAM法是一种具有代表性且应用广泛的频域分析方法，基本思想是对模型进行模态分析得到模态频率和质量，再将计算得到的冲击载荷谱加载到各模态上得到模态响应。通过模态合成得到整个设备的冲击响应，适用于分析线性和弱非线性系统的动态响应，具有很高的计算效率[2,4]。根据GJB对舰载设备的分类，液压联轴器属于水面舰船船体部位安装的设备，其抗冲击等级为A级，需对其进行弹性分析[10]。初始加速度、速度设计值采用式（1）和式（2）进行计算，之后按GJB1060.1-1991规定得到设计加速度和速度。

 ${A_0} = 196.2 \times \frac{{\left( {17.01 + {m_a}} \right)\left( {5.44 + {m_a}} \right)}}{{{{\left( {2.72 + {m_a}} \right)}^2}}}，$ (1)
 ${V_0} = 1.52 \times \frac{{5.44 + {m_a}}}{{2.72 + {m_a}}}。$ (2)

 ${\left\{ x \right\}_{{\text{NRL}}}} = \left\{ {{x_b}} \right\} + \sqrt {\sum\limits_a {\left\{ {{x_a}^2} \right\} - \left\{ {{x_b}^2} \right\}} } 。$ (3)

 ${\sigma _{total}} = \left| {{\sigma _{shock}}} \right| + \left| {{\sigma _{work}}} \right|。$ (4)

2 数值建模 2.1 几何模型

 图 1 套筒式液压联轴器及轴段装配体几何模型 Fig. 1 Geometric model of sleeve hydraulic coupling and shaft assembly
2.2 网格划分

 图 2 套筒式液压联轴器及轴段装配体三维网格模型 Fig. 2 Three dimensional mesh model of sleeve hydraulic coupling and shaft assembly
2.3 材料属性

2.4 边界条件

1）由于DDAM抗冲击模型中不能考虑非线性因素，故将轴段、内套、外套及活塞等部件之间的接触面设置为接触绑定约束。

2）当考虑轴段固定时，将连接轴段的2个外端面设置为固定约束。完成模态分析后提取模态质量大于1%的频率，并按式（1）和式（2）计算得到相应的载荷谱，并以加速度形式输入计算模型。

3）当考虑轴段支撑位置油膜刚度影响时，将连接轴段两外端面的固定约束改为弹簧连接，并将连接弹簧的外部连接点固定，设置相应的弹簧刚度值。模态分析后计算载荷谱并施加到计算模型，载荷的提取与加载方法同上。

3 抗冲击性能

 图 3 垂向冲击载荷作用下液压联轴器各部件应力分布云图 Fig. 3 Stress distribution of various components of hydraulic coupling under vertical impact load

 图 4 不同方向冲击载荷作用下液压联轴器各部件应力值 Fig. 4 Stress values of components of hydraulic coupling under different impact loads

 图 5 不同方向冲击载荷作用下液压联轴器各部件合成应力值 Fig. 5 Synthetic stress values of various components of hydraulic coupling under different impact loads

1）在不同方向冲击载荷作用下，液压联轴器各部件综合应力值均小于材料的屈服强度，满足抗冲击性能规定要求。

2）不同方向冲击载荷作用下，套筒式液压联轴器内套产生的冲击应力值均为最大。因此，内套是液压联轴器中对冲击载荷作用最敏感的部件，需重点关注。

3）在垂向冲击载荷作用下，套筒式液压联轴器各部件的最大应力值均大于另外2个方向的最大冲击应力。因此，与其余方向冲击载荷相比，垂向冲击载荷的影响最为恶劣。

4）液压联轴器外套最大应力出现在与内套接触面的后端；内套最大应力出现在与轴接触面的前端；活塞响应最小，最大应力出现在与内套连接的螺纹处。

4 抗冲击性能影响因素 4.1 影响因素设置

1）相对布置位置D是一无量纲参数，以连接轴段左端面为基准，用于分析液压联轴器在两连接轴段相对布置位置对其抗冲击性能的影响。

2）轴段长径比L是一无量纲参数，表示液压联轴器两连接轴段总长度与轴段外径的比值。在保证轴段外径及总重量不变的前提下，通过改变轴段长度和密度，实现相同重量下不同的轴段长径比。

3）轴段与联轴器重量比G是一无量纲参数，表示液压联轴器两连接轴段总重量与联轴器总重量的比值。在不改变轴段结构参数的前提下，通过修改轴段材料的密度值实现重量比G的调节。

4）端面约束方式M，表示连接轴段两外端面的约束方式。当M为固支时，表示连接轴段两外端面施加固支边界条件。当M=1.00E+9时，表示连接轴段两外端面在垂向和横向方向上施加了弹簧约束，刚度为1.00E+9 N/m，弹簧外部端点自由度均被约束。因素M用于考虑支撑轴承刚度对液压联轴器抗冲击性能的影响。

4.2 单因素影响

 图 6 相对布置位置D对套筒式液压联轴器抗冲击性能的影响 Fig. 6 Influence of relative arrangement position D on impact resistance of sleeve hydraulic coupling

 图 7 轴段长径比L对套筒式液压联轴器抗冲击性能的影响 Fig. 7 Effect of shaft length diameter ratio L on impact resistance of sleeve hydraulic coupling

 图 8 轴段与联轴器重量比G对套筒式液压联轴器抗冲击性能的影响 Fig. 8 Effect of weight ratio G of shaft to coupling on impact resistance of sleeve hydraulic coupling

 图 9 端面约束方式M对套筒式液压联轴器抗冲击性能的影响 Fig. 9 Influence of end face restraint mode M on impact resistance of sleeve hydraulic coupling

1）相对布置位置D对液压联轴器抗冲击性能影响较大。通过对应力分布对比可知，由于计算模型为长轴型，且两端固定，在冲击载荷作用下轴段中间位置处的变形量最大。受轴段变形影响，液压联轴器布置位置越靠近轴段中间位置，产生的冲击应力值越大。

2）在保持轴段总重量不变时，液压联轴器各部件最大冲击应力值在不同长径比L下存在一个最小值。其中，外套最大应力最小值出现在轴段长径比为18.60，内套最大应力最小值出现在长径比为21.40。

3）在不改变轴段几何结构参数的前提下，随轴段总重量增加，液压联轴器各部件最大冲击应力值也随之增大，且呈线性变化趋势。

4）考虑轴段端面约束条件M的影响时，当轴段两外端面采用弹簧约束时，液压联轴器各部件最大冲击应力值比采用固支约束的要大，且随着弹簧刚度减小，最大冲击应力值也随之下降。如图10所示，相对于固支约束边界，在施加弹簧约束边界条件后轴段最大应力出现的位置由轴段两外端面变为两轴段的中间位置。最大应力值由345.45 MPa减少到278.92 MPa，说明弹簧约束边界条件起到一定的缓冲吸能作用。与此同时，在轴段两外端面弹簧约束下轴段中间位置的变形量增大，导致液压联轴器各部件的应力值增加。随着弹簧刚度的减小，液压联轴器各部件的最大应力值也随之下降。

 图 10 边界条件设置对模型冲击应力分布和大小的影响 Fig. 10 Influence of boundary conditions on the distribution and magnitude of impact stress in the model
4.3 正交试验

5 结　语

1）在垂向冲击载荷作用下，液压联轴器各部件的冲击应力值最大。同时，在不同方向冲击载荷作用下，液压联轴器内套响应均最为剧烈。由于内套厚度较薄且开设环槽，设计时需特别注意其厚度控制。

2）液压联轴器在轴段相对布置位置对其抗冲击性能有较大影响。受轴段变形的影响，液压联轴器越靠近轴段中间位置，产生的冲击应力值越大。故在设计时应考虑其在轴段上的布置位置，尽量靠近轴承布置，减少其受到冲击时产生的应力。

3）轴段重量对液压联轴器的冲击应力结果有较大的影响。轴段重量越大，受冲击时联轴器各部件的冲击应力值越大，两者之间呈线性关系。

4）考虑轴段端面油膜刚度影响时，由于轴段中间位置变形量增加，液压联轴器各部件冲击应力值将增大。随着弹簧刚度减小，冲击应力随之降低。

5）轴段长度对液压联轴器的计算结果会产生一定的影响。轴段长度在一定范围内可使液压联轴器各部件应力值减小，但其影响不如前3种因素显著。

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