一种用于解决应力集中、轻量化的胀紧联结套的设计方法与流程

本发明涉及一种用于解决应力集中、轻量化的胀紧联结套的设计方法，它属于机械传动连接技术领域。

背景技术：

胀紧联结套(胀套)作为机械传动系统的基础联接件被广泛应用于冶金、新能源、机床、纺织、矿山机械等领域；该结构可以传递多种形式载荷及复合载荷，依靠摩擦传动，过载打滑，保护设备不损毁；拆卸方便，具有较好的互换性。目前，传统的胀套设计方法忽略应力集中问题、缺少对轻量化的设计要求，设计结果存在可靠性不足、材料浪费和制造成本偏高等问题。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有胀套尺寸设计方法存在的可靠性不足、材料浪费和制造成本高的技术问题，提供一种稳定可靠、提升设计制造效率的用于解决应力集中、轻量化的胀紧联结套的设计方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于解决应力集中、轻量化问题的胀紧联结套的设计方法，其所述胀紧联结套由内环、外环和螺栓组成，套装在轴套和主轴上，其设计方法包括如下步骤：

1)依据胀紧联结套传递转矩要求、材料屈服强度要求和轻量化最小质量要求；确定设计指标为：主轴与轴套最小接触压力p1min、整机最大等效应力emax和最小质量mmin；

2)结合胀紧联结套的结构特点，确定的设计参数为：内环圆锥面最小直径d3、外环直径d4、最大推进行程emax；结合设计参数，利用有限元模拟，通过正交试验方法得到设计参数与设计指标对应的样本数据；

3)归纳样本数据，将设计指标作为函数因变量，设计参数作为自变量，利用kriging法得到目标函数，构建满足转矩、等效应力、最小质量的预测模型；

4)联立预测模型得到多目标优化函数，通过第二代遗传算法(nsga-ii)求解，获得最终设计参数：内环圆锥面最小直径d3、外环直径d4、最大推进行程emax，其中，求解优先级满足：转矩>等效应力>最小质量；最小推进行程满足emin＝kemax，0.6<k<0.8。

本发明的有益效果是：

本发明基于新型优化设计理论和有限元模拟，同时考虑应力集中和轻量化，解决了现有胀套尺寸设计方法存在的可靠性不足、材料浪费和制造成本高的技术问题，本发明与背景技术相比，具有计算效率高，有效提高了产品可靠性，降低了制造成本等优点。

附图说明

图1是本发明胀紧联结套的结构示意图；

图中：1—主轴，2—轴套，3—外环，4—内环，5—螺栓，d0—主轴内径，d1—主轴外径，d2—轴套外径，d3—内环圆锥面最小直径，d4—外环外径，l—内环与主轴接触长度，e—推进行程。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本实施例中的一种用于解决应力集中、轻量化的胀紧联结套的设计方法，其所述胀紧联结套由内环、外环和螺栓组成，套装在轴套和主轴上，其设计方法包括如下步骤：

1)依据胀紧联结套传递转矩要求、材料屈服强度要求和轻量化最小质量要求；确定设计指标为：主轴与轴套最小接触压力p1min、整机最大等效应力emax和最小质量mmin；

2)结合胀紧联结套的结构特点，确定的设计参数为：内环圆锥面最小直径d3、外环直径d4、最大推进行程emax；结合设计参数，利用有限元模拟，通过正交试验方法得到设计参数与设计指标对应的样本数据；

3)归纳样本数据，将设计指标作为函数因变量，设计参数作为自变量，利用kriging法得到目标函数，构建满足转矩、等效应力、最小质量的预测模型；

4)联立预测模型得到多目标优化函数，通过第二代遗传算法(nsga-ii)求解，获得最终设计参数：内环圆锥面最小直径d3、外环直径d4、最大推进行程emax，其中，求解优先级满足：转矩>等效应力>最小质量；最小推进行程满足emin＝kemax，0.6<k<0.8。

下面通过一个具体应用实例进一步对本发明进行描述。

本实例是采用某型号的胀套，具体参数为：主轴内径d0＝60mm，主轴外径d1＝520mm，轴套外径d2＝640mm，主轴与轴套公差带h7/g6，轴套与内环公差带h7/f6，轴套的弹性模量为180gpa，主轴、内环与外环的弹性模量为210gpa，所有部件的泊松比均为0.3，主轴与轴套的接触长度l＝280.5mm，接触面摩擦系数μ＝0.15，额定转矩m＝2800kn·m。胀套材料屈服极限q＝930mpa。

采用本发明的设计方法，主要步骤如下：

1)考虑传递转矩、应力集中、轻量化，确定设计指标为：主轴与轴套最小接触压力p1min、整机最大等效应力emax和最小质量mmin；

2)确定主要的设计参数为：内环圆锥面最小直径d3、外环直径d4、最大推进行程emax；利用有限元模拟，通过正交试验方法得到设计参数与设计指标对应的样本数据如下：

表1某型号胀套试验设计结果数据

3)归纳样本数据，利用kriging法得到目标函数：

式中：f1(d4,emax,d3)为整机最大等效应力emax函数；f2(d4,emax,d3)为主轴与轴套最小接触压力p1min函数；f3(d4,emax,d3)为整机最小质量mmin函数；εi(i＝1,2,3)为残差，满足期望为零、协方差不为零。

4)联立预测模型得到多目标优化函数：

minf(x)＝[-f1(x),-f2(x),f3(x)]

s.t.emax＜q

p1,min＞2m/(πμld1)

d4min≤d4≤d4max

emaxmin≤emax≤emaxmax

d3minmin≤d3min≤d3minmax(4)

式中，最大等效应力emax不超过材料的屈服极限q；主轴与轴套最小接触压力p1min大于传递最小转矩所需压力；d3、d4、emax满足上下限要求，emax、p1min尽可能大即其相反数函数-f1(x)、-f2(x)尽可能小，以上三个函数的优先级满足f2(x)＞f1(x)＞f3(x)。

通过nsga-ii求解，获得最终设计参数，根据最小推进行程emin＝kemax，0.6<k<0.8，设计结果如下：

表2设计结果