随着我国冶金行业的快速发展，中宽厚板是近几年乃至将来很长一段时间发展的必然趋势，从而对该板轧机生产线重大机械装备的技术水平也要求越来越高、越来越先进。重载型十字轴式万向联轴器是用于中宽厚板轧钢机的主传动轴，与传统的梅花联轴器、齿式联轴器、十字滑块联轴器相比，它具有结构合理、传动扭矩大、传动效率高、传动平稳、承载能力高、噪音低等优点，是整个轧机的核心传动部件。
但是在实际使用中该联轴器仍然存在着缺点：一方面，与以往的分离式十字轴万向联轴器相比，该联轴器的叉头孔较大，根部强度较弱；另一方面，现有的这种联轴器内轮廓曲面极为复杂，制造和装配难度大。以河北京诚联轴器厂生产的中宽厚板轧钢机联轴器为例，对叉头部分建立了三维有限元分析模型，并进行求解和分析，提出了叉头结构设计可采取的措施。
1 有限元分析的前处理
考虑到有限元软件的建模功能较弱，首先在PRO/E环境下建立法兰叉头的三维实体模型，如图1所示
在进行有限元分析之前，首先要获得零件的相关材料属性。这些属性包括：材料名称、材料密度、材料的杨氏模量、材料的泊松比等。联轴器和转向节零件所采用的材料为40Cr。该材料相关参数如下：
杨氏模量（YOUNG_MODULUS)=206GPa
泊松比（POISSON_RATIO)=0.30
材料密度（MASS_DENSITY)=7850KG/m3
由于40Cr属于塑性材料，因此采用屈服极限σs=785MPa作为该材料的极限应力，并采取安全系数为2，此时材料的许用极限应力为：[σ]=σs/ns=393MPa
法兰叉利用推力轴承与十字轴相配合，地面与其它轴（中间轴、主动轴、从动轴）相联接。在PRO/E中对法兰叉模型采用三维四面体单元进行网格智能网格细分。这样将该零件划分为57，212个节点，292，856个单元，如图2所示。然后为转向节赋予材料属性，包括：弹性模量E=206GPa,泊松比为μ=0.3,材料密度ρ=7850kg/m3/根据转向节的工作状态对其添加约束。在工况下，法兰叉孔径处受到的力如图3所示。考虑不到法兰叉承受的载荷为转矩，该转矩在力学模型上可以转化作用于叉头径向，位于宽度中点的集中载荷，底面的各接点为全约束，将建立起来的有限元模型在有限元软件中求解，其应力如图3所示。
 
2有限元分析的求解和后处理
建立有限元模型的基本原则是确保模型的准确性。在满足准确性的前提下可适当简化模型，例如在进行有限元分析时，往往只要求了解某些部位和区域的应力分布情况，而不必要分析整个零件。因此在建立几何模型时，就无须将所有特征做出来，特别是一些结构较复杂且又不影响分析区域的特征，完全可以不做出或者以一个简单的特征来代替它。
有限元软件在读入外部数据时并不进行单位的自动转换，因此在几何建模时采用的模型单位、载荷单位，杨氏模量的单位都将影响到最后计算结果的单位。为例保证计算时的量纲与设计习惯一致，在有限元分析中采用表1中的量纲
3 结果分析
在判断零件的分析结果是否满意时，首先应考虑零件上出现的最大应力值是否小于材料的许用应力；零件的变形量是否小于许用变形量。如果在满足上述条件的基础上，应尽可能使零件的应力分布均匀，并尽可能多的采用应力分布的结构。
通过对法兰叉的有限元分析，最终得到如图4的应力云图。从图上来看法兰叉的危险截面在叉头根部倾角为45°的面上，此结果与以往的经验吻合。最大应力为139MPa,小于材料的许用应力。因此在正常的工作条件下，叉头是安全的，但是如果工作条件恶劣，传递扭矩大，当出现过载时，叉头就可能发生破坏。
4 结论
联轴器是实际工程中大量使用的轴联接装置，尽管它的结构一般较简单、体积小，但在生产加工过程中起着举足轻重的作用，一旦联轴器发生断裂，势必给生产造成影响，因此联轴器的结构设计非常重要，根据以上的分析结果，对于联轴器中法兰叉的结构设计提出以下几点建议：
（1）由于法兰叉的内轮廓曲面极为复杂，制造和装配均有很大的难度，因此在设计时应加大叉头根部的强度和过渡圆角值；
（2）正常工况下，法兰叉最大应力小于屈服极限，可以正常工作，当出现过载时，法兰叉可能发生破坏。
（3）在对法兰叉进行结构设计时，可以考虑用简单的几何曲面代替原来的叉头内轮廓，使根部最大应力降低，提高其强度，同时也可以提高其结构工艺性。
（4）为了降低叉头根部应力，可以保证十字轴装备要求的前提下，加大叉头根部的尺寸，使根部应力降低，提高其强度。
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