基于UG裝載機(jī)構(gòu)件建模及疲勞壽命分析

張國文，郭維昭

(江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，萍鄉(xiāng) 337055)

0 引言

在可靠性工程中，一個復(fù)雜系統(tǒng)往往由大量的分系統(tǒng)或單元組成，而單元是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，同時系統(tǒng)也可看作是一個單元，因此要研究系統(tǒng)的綜合可靠性問題與不同的壽命分布模型。對于機(jī)械產(chǎn)品其失效形式主要有結(jié)構(gòu)完整性破壞，包括產(chǎn)品零部件強(qiáng)度降低、斷裂破壞、疲勞破壞和磨擦損傷等[1～3]。疲勞破壞是引起產(chǎn)品構(gòu)件失效的重要原因。疲勞定義為[4]：在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部的、永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程。本文研究了裝載機(jī)的結(jié)構(gòu)模型及壽命分析模型，對裝載機(jī)使用可靠性最差的搖臂進(jìn)行了壽命預(yù)算。

1 裝載機(jī)的結(jié)構(gòu)模型

裝載機(jī)工作裝置主要有以下幾部分組成：1鏟斗，2連桿，3搖臂，4動臂，5銷軸。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 構(gòu)件疲勞壽命分析模型

圖1 裝載機(jī)工作裝置結(jié)構(gòu)

針對構(gòu)件疲勞失效形式，建立疲勞壽命分析模型。模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。本文將UG與有限元分析軟件結(jié)合，進(jìn)行有限元模型的建立，首先在UG中創(chuàng)建三維實體模型，再將模型以Parasol格式傳送給非線性有限元分析軟件ABAQUS。進(jìn)行幾何修復(fù)后，得到有限元實體模型。

3 使用疲勞壽命預(yù)估

圖2 疲勞壽命分析模型

疲勞是在循環(huán)荷載下，材料局部發(fā)生損傷的累積過程。在每一次應(yīng)力作用下，零件壽命就要受到微量的疲勞損傷，當(dāng)疲勞損傷積累到一定程度達(dá)到疲勞壽命極限時便發(fā)生疲勞斷裂。利用相似構(gòu)件在實際載荷譜下的使用理論和損傷的相對Miner理論能進(jìn)行壽命預(yù)測。圖3為一零件的規(guī)律性非穩(wěn)定變應(yīng)力直方圖，圖中是當(dāng)循環(huán)特性為r時各個循環(huán)的最大應(yīng)力，N1，N2，…Nn為與各應(yīng)力相對應(yīng)的積累循環(huán)次數(shù)。如圖4所示為應(yīng)力—循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖，N1'， N2',…,Nn'為與各應(yīng)力對應(yīng)的材料發(fā)生疲勞破壞時的極限循環(huán)次數(shù)。

圖3 規(guī)律性非穩(wěn)定變應(yīng)力直方圖

圖4 應(yīng)力—循環(huán)次數(shù)關(guān)系圖

Miner線性疲勞損傷積累理論指出:應(yīng)力每循環(huán)一次，造成零件的一次壽命損傷，故其總壽命損傷率：

零件達(dá)到疲勞極限時，理論上總壽命損傷率為1，即

在估算疲勞壽命時，假設(shè)認(rèn)為：應(yīng)力小于疲勞極限應(yīng)力 對疲勞壽命無影響。工程機(jī)械構(gòu)件所受應(yīng)力經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)都是隨機(jī)應(yīng)力，隨機(jī)應(yīng)力的時間歷程不能用一個明確的數(shù)學(xué)關(guān)系式來描述和確定在未來某一瞬間的應(yīng)力準(zhǔn)確值，而應(yīng)用有限元分析軟件可以準(zhǔn)確得到工作循環(huán)隨機(jī)載荷譜，根據(jù)此載荷譜可以進(jìn)行疲勞壽命預(yù)估。首先將載荷轉(zhuǎn)換為當(dāng)量對稱循環(huán)應(yīng)力氏，然后代入疲勞曲線方程式進(jìn)行求解。根據(jù)Goodman疲勞極限圖進(jìn)行計算，計算公式如下[5,6]:

m—指數(shù)；

則構(gòu)件疲勞工作循環(huán)次數(shù)為：

4 搖臂使用壽命的估算

根據(jù)搖臂的實體模型建立有線元模型，材料屬性設(shè)定：搖臂材料為Q345(16Mn)，彈性模量E=2.07xl011，泊松比μ=0.3。單元類型選擇：由于搖臂結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，這里采用適應(yīng)性較好的4節(jié)點(diǎn)實體C3D4。邊界條件加載：根據(jù)裝載機(jī)工作裝置的實際工作狀況，約束搖臂銷軸內(nèi)孔平面的X、Y、Z三個方向的自由度。網(wǎng)格劃分：設(shè)定單元大小并對搖臂模型進(jìn)行了單元劃分。運(yùn)用ABAQUS進(jìn)行動態(tài)分析，計算得到隨時間變化搖臂應(yīng)力的分布情況，搖臂有限元實體模型如圖5所示。

圖5 搖臂有限元實體模型

由于載荷方向、大小在不斷變化，所以搖臂上不可能有某個點(diǎn)始終處于最大應(yīng)力狀態(tài)，但總有一個區(qū)域應(yīng)力處于較高水平。為了數(shù)據(jù)提取的方便，假設(shè)這個區(qū)域內(nèi)有一點(diǎn)A，應(yīng)力始終處于最大值，如果這一點(diǎn)的強(qiáng)度、壽命等指標(biāo)達(dá)到要求，整個搖臂也就達(dá)到要求了。

表1 當(dāng)量對稱循環(huán)應(yīng)力 的計算結(jié)果

與當(dāng)量對稱循環(huán)應(yīng)力 和 對應(yīng)的材料疲勞破壞的極限循環(huán)次數(shù)分別為：

極限正載工況下?lián)u臂的工作循環(huán)次數(shù)：

假設(shè)裝載機(jī)每次完成鏟掘時間2分鐘，每天不間斷工作8小時，每年工作300天，這樣裝載機(jī)每年的工作循環(huán)次數(shù)為72000次，裝載機(jī)搖臂疲勞失效前的工作時間約為一年零六個月，本實例考慮的是極限正載工況，而在實際工作中，裝載機(jī)所受外載荷比極限正載時小，但工況較為復(fù)雜，包括各種各樣的偏載。

5 結(jié)論

通過UG與有限元分析軟件模型的建立，分析得出：裝載機(jī)每次完成鏟掘時間2分鐘，每天不間斷工作8小時，每年工作300天，這樣裝載機(jī)每年的工作循環(huán)次數(shù)為72000次，裝載機(jī)搖臂疲勞失效前的工作時間約為一年零六個月。

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