0引言
补偿能力是膜片联轴器的一项重要性能指标，而膜片组件是膜片联轴器的关键部件，轴系的各项偏移均是通过其三维变形来实现的，因此膜片联轴器的优化设计即是对膜片组件结构进行优化以使其补偿能力达到最佳状态。膜片联轴器的基本设计要求有：传递运动要求，在工作转速n下可传递转矩T；补偿能力的要求，可补偿轴向位移Δx、角位移Δα、径向位移Δy；强度寿命要求；动力特性设计要求。此外，还须满足工作空间的要求与限制。膜片联轴器设计的关键问题是膜片和螺栓的设计，其它零件如法兰盘和中间轴可以参考有关资料选择。膜片的主要几何参数（以束腰型膜片联轴器为例，图1）有：d0为外圆直径，d1为螺栓孔直径，di为内孔直径，S为螺栓分布圆直径，r5为外圆弧中心半径，r6为外圆弧半径，z为片数，h为厚度，n为膜片上螺栓总数。显然，满足基本设计要求的这些参数的确定不是唯一的。因此就有了优化的问题：在满足设计基本要求的前提下，如何调整这些设计参数，可使膜片联轴器具有更大的补偿能力、更长的使用寿命、或是更精巧的几何形状。下面将给出基于有限元结构分析的膜片联轴器的优化设计方法。
1基于有限元结构分析的膜片联轴器优化设计
ANSYS软件公司开发的Workbench平台的优化模块提供了有限元分析-结构优化一体化的功能。其中的两种快速优化方法为正交实验设计方法（DOE方法）和变分优化方法，以最快速度获得多个设计参数的最优组合。这一组合实现了整个结构在减重、强度、刚度、疲劳等综合性能指标上的多目标优化。
1.1基本流程
基于ANSYS/Workbench平台进行有限元结构分析-优化设计的基本流程如下：
1）建立有限元结构分析过程的参数化程序（APDL程序）。有限元分析的标准过程包括：定义几何模型、边界条件及其载荷、求解和后处理。如果求解结果表明有必要修改设计，那么就必须改变模型的几何结构或载荷并重复上述步骤。特别是当模型较复杂或修改较多时，这个过程可能很昂贵和浪费时间。APDL（参数化设计语言）是ANSYS的高级分析技术之一，也是ANSYS高级应用的基础，它提供一种逐行解释性的编程语言工具，可以用建立智能分析的手段为用户实现自动完成上述循环的功能，也就是说，程序的输入可设定为根据指定的函数、变量及选出的分析标准作决定。它允许复杂的数据输入，使用户对任何设计或分析属性有控制权，例如几何尺寸、材料、边界条件和网格密度等，扩展了传统有限元分析范围以外的能力，并扩充了更高级运算（包括灵敏度研究、零件参数化建模、设计修改及设计优化），为用户控制任何复杂计算的过程提供了极大的方便。本项目归档文件中给出了束腰型和轮辐形膜片联轴器有限元结构分析过程的参数化（APDL）程序。
2）运行Workbench，输入编好的APDL程序，对APDL程序进行编辑，指定优化变量（input）和目标函数（response）。Workbench优化模块中默认优化变量取值范围±10%浮动，也可根据各个设计参数的具体情况进行调整，如图3所示。选择+10%的原因：从对膜片联轴器结构几何尺寸对其轴向刚度的影响来看，外径WJ增大、内径NJ增大、外切弧径WQHJ增大和外切弧与内径圆的间距JJ减小有助于降低其轴向刚度值，因此在确定上述优化变量时，在原结构尺寸的基础上进行+10%的浮动。
3）针对各个优化变量进行取值范围确定：运行DesignXplorler。
4）通过GoalDrivenOptimization，找到最终满足条件的优化结果。在GoalDrivenOptimization模块中指定在设计变量变化范围之内产生的计算采样点数，Workbench中除了给定的3个选项100、1000、10000，还可以根据不同实际情况确定计算采样点数。计算采样点数越大，优化结果趋势越明显，但优化模块计算数据量越大。
5）在给定设计变量变化范围内计算数组膜片联轴器的轴向刚度，并通过已经确定的优化目标函数值选择满足用户要求的优化结果：运行ProcessDOEDesigns在给定设计变量变化范围内优化。将计算后的优化结果设成Designedpoint并通过ANSYS进行验算，如果结果满足目标函数要求，则输出最终优化解，否则在该优化结果的基础上实施再次优化，再经过反复验算后确定最终优化解。
1.2膜片优化设计步骤
主要工作步骤如下：
1）用有限元法计算膜片的轴向刚度。
2）取原有模型轴向刚度的60%（对应于将轴向补偿能力提高到原有补偿量的1.5倍）作为目标函数。
3）取内孔直径d1、螺栓分布圆直径D、螺栓孔直径d、外圆直径d0、外圆弧中心半径r1和外圆弧半径r2为优化变量；为了保证优化后膜片联轴器结构与原结构差异不大，优化变量的变化范围设定为10%。
4）按图7的优化流程对膜片进行优化计设计计算。
5）对膜片进行强度校核。不同孔数膜片原结构和优化后结构的强度校核有限元计算可由专门为本项目设计的界面程序实现。最后进行优化结果分析，以确定优化后的膜片结构形式。
2算例
6孔膜片的优化设计结果
3结论
在膜片连轴器的设计中引入优化设计方法，可最大限度地发挥材料的潜力，在基本结构尺寸不变的条件下有效增大膜片的补偿能力。基于ANSYS/Workbench平台的优化设计模块可用来对挠航空机电论文性膜片联轴器进行优化设计，前提是将膜片在各种工况下的应力与变形分析过程参数化、程序化，可以最快速度获得多个设计参数的最优组合，从而得到某一工况下的膜片联轴器最佳结构设计。
作者：高鹏 单位：东北林业大学
