考虑界面摩擦的推进轴系联轴器螺栓动态载荷计算方法

本发明属于水下航行器，涉及一种考虑界面摩擦的推进轴系联轴器螺栓动态载荷计算方法。

背景技术：

1、万向联轴器作为扭矩与功率的传输装置，具有结构简单、传输功率范围广、可靠性高、易于维护等优点，已被广泛地应用于车辆、船舶、发电和冶金等领域。连接螺栓作为连接万向联轴器与输入轴及输出轴的紧固件，在万向联轴器以及整个轴系的正常运转中起到重要的作用。因此，计算并分析万向联轴器连接螺栓的载荷，对于该轴系甚至整个机械设备的稳定、安全工作具有重要的意义。针对万向联轴器法兰连接螺栓载荷的计算问题，目前的计算方法主要集中在静态载荷计算、预紧力计算、连接松动、螺栓疲劳及断裂等方面。其中静态载荷计算主要通过经验公式计算，无法考虑螺栓预紧力、法兰连接面摩擦特性的影响，且无法计算出载荷的动态特性，无法为螺栓连接寿命预估提供准确参考。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：

2、为了避免现有技术的不足之处，考虑到螺栓预紧力、法兰连接面摩擦特性对螺栓动态载荷的影响，本发明提供一种考虑法兰连接界面摩擦的水下推进轴系万向联轴器法兰螺栓的动态载荷计算方法。建立万向联轴器连接螺栓的柔性连接动力学模型以及水下推进轴系的多体动力模型，实现了不同工况下，万向联轴器连接螺栓动态载荷的计算与分析。相比于刚性连接模型，该方法的计算结果更加贴近螺栓的真实情况。

3、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

4、一种考虑界面摩擦的推进轴系联轴器螺栓动态载荷计算方法，其特征在于步骤如下：

5、步骤1：根据推进轴几何参数，建立推进轴的刚体动力学模型；所述的推进轴为轴对称结构，设定推进轴的质心位于轴线上；

6、

7、式中，m为推进轴的质量，jd为推进轴的极转动惯量，jp为推进轴的极转动惯量，ax，ay，az为推进轴在x，y，z三个平动方向上的加速度，aθx，aθy，aθz为推进轴绕x，y，z轴旋转的角加速度，fx1和fx2为推进轴两端在x方向上的受力，fy1和fy2为推进轴两端在y方向上的受力，fz1和fz2为推进轴两端在z方向上的受力，m1和m2为推进轴两端所受的扭矩，l1和l2为推进轴质心距两端的轴向距离；

8、步骤2：根据万向联轴器的几何参数，建立万向联轴器的数学模型：

9、输入轴至中间轴的传动比：

10、

11、中间轴至输出轴的传动比

12、

13、输入轴至输出轴的传动比

14、

15、其中，θ1、θ2和θ3分别为输入轴、中间轴及输出轴旋转的角度，ω1、ω2和ω3分别为输入轴、输出轴、中间轴的旋转角速度，β1和β2分别为输入轴和输出轴与中间轴的夹角，按照旋转方向，将输入轴和中间轴所构成的平面与中间轴和输出轴所构成的平面夹角标记为γ，将中间轴两端叉头之间的夹角标记为

16、步骤3：根据万向联轴器连接螺栓等级、尺寸和预紧力，计算连接螺栓在推进轴系中的等效刚度，建立柔性连接螺栓的动力学模型：

17、

18、式中，fx、fy、fz、tx、ty以及tz分别表示柔性连接模型中螺栓受到的力和力矩在x、y、z方向上的分量；k11、k22、k33表示螺栓在三个平动方向上的刚度系数，k44、k55、k66表示螺栓在三个旋转方向上的扭转刚度系数；x、y、z分别表示相邻的法兰盘在三个平动方向上的位移，即螺栓的拉伸或弯曲变形量，θx、θy、θz则表示相邻法兰盘在三个旋转方向上的角位移，即螺栓的扭转变形量；c11、c22、c33分别表示螺栓在三个平动方向上发生变形的阻尼系数，c44、c55、c66分别表示螺栓在三个旋转方向上发生变形的阻尼系数；vx、vy、vz、ωx、ωy、ωz分别表示相邻法兰盘在三个平动和旋转方向上的速度和角速度；f1、f2、f3分别表示螺栓在三个平动方向上受到预紧力；t1、t2、t3分别表示螺栓在三个旋转方向上受到的预载荷力矩；螺栓刚度可通过下式计算：

19、

20、其中e为螺栓材料的弹性模量，a为螺栓有效截面积，l为螺栓有效长度；

21、

22、其中g为螺栓材料的剪切模量；

23、

24、其中i为螺栓截面惯性矩；

25、

26、其中r为螺栓有效直径；

27、步骤4：建立万向联轴器法兰面之间的非线性摩擦力模型：

28、f＝μf                          (10)

29、

30、其中，f表示界面间的正压力，μ表示摩擦系数，μs表示界面间的最大静摩擦系数，v表示界面间的相对滑移速度，vs表示静摩擦状态下的最大相对滑移速度，μm表示界面间的静摩擦系数，vm表示动静摩擦转变速度；当界面间相对滑移速度v<vs时，两法兰盘间的摩擦系数线性增大；当相对滑移速度达到vs时，摩擦系数达到其最大静摩擦系数值μs；当相对滑移速度继续增大，摩擦系数线性减小；当相对滑移速度达到动静摩擦转变速度vm时，两法兰盘间的摩擦状态转变为动摩擦，此时摩擦系数为动摩擦系数μm；

31、步骤5：基于刚体运动学方程联立式(1)至(11)，形成推进轴系整体的动力学模型；

32、步骤6：使用数值计算方法对水下推进轴系的动力学模型进行求解，获得万向联轴器连接螺栓的动态载荷，即步骤3中的fx、fy、fz。

33、一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。

34、一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。

35、本发明的有益效果在于：

36、本发明提供的一种考虑法兰连接界面摩擦的水下推进轴系万向联轴器法兰螺栓的动态载荷计算方法。采用多体动力学方法，考虑轴系几何结构、螺栓型号及材料特性、螺栓预紧力以及轴系运行工况，采用刚体模型建立推进轴系及万向联轴器的几何模型，采用柔性单元建立连接螺栓的等效模型，完成万向联轴器的刚柔耦合多体动力学模型的构建。使用数值计算方法对模型进行仿真，从而实现万向联轴器连接螺栓动态载荷的计算。该方法简化了法兰螺栓动态载荷的建模及分析流程，且能够考虑联轴器法兰面间摩擦力的作用，相比于传统的经验公式计算方法，该方法能够反映万向联轴器连接螺栓载荷的动态特性，对联轴器设计、连接螺栓疲劳及寿命分析均具有指导作用。

技术特征：

1.一种考虑界面摩擦的推进轴系联轴器螺栓动态载荷计算方法，其特征在于步骤如下：

2.一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现权利要求1所述的方法。

3.一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现权利要求1所述的方法。

技术总结
本发明涉及一种考虑界面摩擦的推进轴系联轴器螺栓动态载荷计算方法，属于水下航行器技术领域。采用多体动力学方法，考虑轴系几何结构、螺栓型号及材料特性、螺栓预紧力以及轴系运行工况，采用刚体模型建立推进轴系及万向联轴器的几何模型，采用柔性单元建立连接螺栓的等效模型，完成万向联轴器的刚柔耦合多体动力学模型的构建。使用数值计算方法对模型进行仿真，从而实现万向联轴器连接螺栓动态载荷的计算。该方法简化了法兰螺栓动态载荷的建模及分析流程，且能够考虑联轴器法兰面间摩擦力的作用，相比于传统的经验公式计算方法，该方法能够反映万向联轴器连接螺栓载荷的动态特性，对联轴器设计、连接螺栓疲劳及寿命分析均具有指导作用。

技术研发人员：安宇晨,刘静,潘光,宋保维
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15