基于有限元的預(yù)應(yīng)力陶瓷壓磚機(jī)立柱疲勞壽命分析

吳南星 陳常清

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院機(jī)電學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)333403）

0 前言

疲勞是引起機(jī)械零件失效的主要原因之一[1]，由于機(jī)構(gòu)疲勞事故而引起的重大災(zāi)難事故時(shí)有發(fā)生。壓磚機(jī)是陶瓷工業(yè)設(shè)備中的一種重要陶瓷生產(chǎn)設(shè)備，它的工作環(huán)境惡劣，通常在滿負(fù)荷、高頻率的條件下日壓制次數(shù)上萬(wàn)次，因此，與其它類型的液壓機(jī)相比，這就對(duì)它的抗疲勞性能提出了很高的要求，立柱又是壓磚機(jī)的主要部件之一，除了對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性分析外，還需要具備很強(qiáng)的抗疲勞能力和疲勞使用壽命[2]。

本文通過(guò)前期對(duì)預(yù)應(yīng)力陶瓷壓磚機(jī)的立柱結(jié)構(gòu)分析得到的應(yīng)力結(jié)果，利用有限元分析軟件ANSYS的疲勞分析模塊對(duì)其進(jìn)行疲勞分析，以達(dá)到縮短研發(fā)周期，降低開發(fā)成本，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的參考，并為安全生產(chǎn)提供良好的預(yù)測(cè)。

1 疲勞的基本理論

1.1 ANSYS疲勞分析模塊

ANSYS疲勞計(jì)算是以ASME鍋爐與壓力容器規(guī)范為依據(jù)，采用簡(jiǎn)化了的彈塑性假設(shè)和Miner累積疲勞準(zhǔn)則。ANSYS軟件的疲勞分析模塊可以通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行后處理來(lái)確定任何實(shí)體單元和殼單元的疲勞耗用因數(shù)（對(duì)線單元模型疲勞分析用戶也可以手工輸入應(yīng)力）；可以在預(yù)先選定的位置上確定一定數(shù)目的事件以及這些事件中的載荷，然后保存這些位置上的應(yīng)力；可以為每個(gè)位置定義應(yīng)力集中系數(shù)和給每個(gè)事件定義比例因數(shù)[3]。

1.2 ANSYS疲勞分析的基本術(shù)語(yǔ)

ANSYS疲勞分析的基本術(shù)語(yǔ)為位置、事件與載荷。

（1）位置就是在有限元模型中保存的疲勞應(yīng)力節(jié)點(diǎn)。在分析中，一般選取結(jié)構(gòu)上疲勞破壞發(fā)生概率比較大的點(diǎn)來(lái)作為疲勞分析的位置。

（2）事件就是在特定的應(yīng)力循環(huán)中顯示出來(lái)的在不同時(shí)刻的應(yīng)力狀態(tài)情況。

（3）載荷就是一個(gè)應(yīng)力狀態(tài)，它是整個(gè)疲勞分析事件的一部分。

任意兩個(gè)載荷之間的應(yīng)力狀態(tài)的差值為交變應(yīng)力強(qiáng)度，ANSYS分析程序的交變應(yīng)力強(qiáng)度不會(huì)因?yàn)槠骄鶓?yīng)力的影響而改變。

2 分析計(jì)算

2.1 預(yù)應(yīng)力陶瓷壓磚機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)介紹

預(yù)應(yīng)力陶瓷壓磚機(jī)的機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖1所示，鋼絲纏繞型液壓壓磚機(jī)結(jié)構(gòu)中,纏繞在機(jī)架上的鋼絲是預(yù)緊件，機(jī)架中的上梁、立柱和下梁是被預(yù)緊件。在壓機(jī)工作過(guò)程中，機(jī)架承受“壓-壓”應(yīng)力狀況[4]。

圖1 機(jī)架結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the frame

圖2 立柱的網(wǎng)格劃分Fig.2 Meshing of the column

圖3 立柱應(yīng)力云圖Fig.3 Stress contour plot of the column

表1 材料的疲勞循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力強(qiáng)度Tab.1 Fatigue cycle life and stress intensity

2.2 強(qiáng)度分析

根據(jù)立柱結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，故只需采用其1/2結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。網(wǎng)格單元類型采用solid92單元，立柱結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分結(jié)果和應(yīng)力結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析云圖如圖2、3所示。

由圖3可知：立柱受到的最大von mises（合應(yīng)力）應(yīng)力為226MPa，它位于立柱與橫梁接觸的凸出部分的底部，整個(gè)立柱其它部分受到的應(yīng)力較小，且為壓應(yīng)力，因而可以推斷陶瓷壓磚機(jī)在工作狀態(tài)下立柱的危險(xiǎn)截面位于立柱與橫梁接觸的凸出部分的底部，它是整個(gè)立柱最容易發(fā)生疲勞破壞的位置。

2.3 疲勞分析

鋼絲纏繞陶瓷液壓機(jī)的立柱所選用的材料為ZG310-570的鑄鋼，其力學(xué)性能和特性系數(shù)為：ρ= 7800kg/m3；δb=570MPa；δs=310MPa；Ep=175Pa，其S-N的循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力強(qiáng)度如表1所示。將表1中的數(shù)據(jù)輸入到ANSYS軟件的疲勞分析模塊中，最后得到立柱在10000萬(wàn)次工作循環(huán)下的的疲勞耗損系數(shù)為0.2574，總的壓制次數(shù)為9.71×107次。

3 結(jié) 論

（1）立柱受到的最大vonmises合應(yīng)力為226MPa，小于它的許用應(yīng)力310MPa，它位于立柱與橫梁接觸的凸出部分的底部，整個(gè)立柱其它部分受到的應(yīng)力較小，立柱在壓制過(guò)程中不會(huì)發(fā)生靜力破壞。

（2）立柱的耗損系數(shù)為0.2574，因而在立柱最大應(yīng)力的地方不會(huì)發(fā)生疲勞破壞，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、節(jié)約材料上仍有空間。

（3）立柱總的壓制次數(shù)為9.713×107次。按照壓磚機(jī)每年工作320天，每天工作16個(gè)小時(shí)，每分鐘壓制12次的頻率來(lái)計(jì)算，可以得出立柱的疲勞使用壽命為26.4年。根據(jù)壓磚機(jī)的疲勞使用壽命，可以為它的安全生產(chǎn)提供評(píng)估和預(yù)測(cè)。

1邱文杰.FDPSO典型結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析.大連理工大學(xué)碩士論文,2008,11

2杜業(yè)威等.鋼絲纏繞型液壓壓磚機(jī)的有限元疲勞分析.機(jī)床與液壓,2005,03

3張朝輝.ANSYS8.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用與實(shí)例解析.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011

4俞新陸.液壓機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007