一种用于解决应力集中、轻量化的胀紧联结套的设计方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术主要是解决现有胀套尺寸设计方法存在的可靠性不足、材料浪费等技术问题。具体方法包括：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)根据设计指标确定胀套的设计参数，基于有限元模拟，利用正交试验设计获得样本数据；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。

A Design Method for Solving Stress Concentration and Lightweight Expansion and Tightening Connection Sleeve

【技术实现步骤摘要】
一种用于解决应力集中、轻量化的胀紧联结套的设计方法
本专利技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用的技术方案是：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。本专利技术的有益效果是：本专利技术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，本专利技术与
技术介绍
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是本专利技术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专利技术作进一步的描述。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专利技术进行描述。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。采用本专利技术的设计方法，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＜Qp1,min＞2M/(πμLd1)d4min≤d4≤d4maxemaxmin≤emax≤emaxmaxd3minmin≤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设计结果本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于解决应力集中、轻量化的胀紧联结套的设计方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种用于解决应力集中、轻量化的胀紧联结套的设计方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁可，王建梅，崔夕峰，侯定邦，
申请(专利权)人：太原科技大学，
类型：发明
国别省市：山西,14