基于AUTODYN的應(yīng)急破斷機(jī)構(gòu)數(shù)值模擬方法研究*

麻 昔

(宜昌測試技術(shù)研究所，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

應(yīng)急破斷機(jī)構(gòu)用于連接兩承力件，當(dāng)載荷高過承載值時(shí)，應(yīng)急破斷機(jī)構(gòu)被動(dòng)斷開，載荷失去傳遞，從而起到機(jī)械保護(hù)的作用。應(yīng)急破斷機(jī)構(gòu)幾何、材料參數(shù)等會(huì)引起不同的斷面質(zhì)量與裂紋擴(kuò)展方式，破斷過程材料的行為是非線性，經(jīng)歷了復(fù)雜的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)[1]。目前對(duì)應(yīng)急破斷機(jī)構(gòu)主要以試驗(yàn)研究為主，通過大量的樣品試驗(yàn)獲取產(chǎn)品的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)，而數(shù)值模擬研究卻非常少，為了解決試驗(yàn)研究的周期長、成本高等問題，筆者將采用數(shù)值模擬方法對(duì)應(yīng)急破斷機(jī)構(gòu)進(jìn)行過程模擬，描述材料斷裂失效行為，并對(duì)影響因素進(jìn)行模擬分析，為應(yīng)急破斷機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及研究提供重要的參考意義。

1 計(jì)算模型建立

應(yīng)急破斷機(jī)構(gòu)如圖1(a)所示，主要由開口銷、破斷銷、連接座和承力座等組成。破斷銷起傳遞載荷和過載保護(hù)的關(guān)鍵件。破斷銷的破斷力決定了該結(jié)構(gòu)的最大承載力，當(dāng)發(fā)生意外(如碰撞、拖掛異物等)導(dǎo)致載荷急劇增加并達(dá)到破斷銷的破斷力時(shí)，破斷銷斷裂，載荷不再傳遞到承力座上，從而起到機(jī)械過載保護(hù)的作用。應(yīng)急破斷機(jī)構(gòu)呈左右對(duì)稱分布，為計(jì)算簡化節(jié)省時(shí)間，取中垂面對(duì)稱的一半模型進(jìn)行計(jì)算；因開口銷和內(nèi)襯套影響較小，故在計(jì)算中忽略，得到的簡化的計(jì)算模型如圖1(b)所示。

圖1 應(yīng)急破斷機(jī)構(gòu)及簡化的計(jì)算模型1.開口銷 2.破斷銷 3.靜刃 4.動(dòng)刃 5.連接座 6.內(nèi)襯套 7.承力座

2 材料模型確立與分析

應(yīng)急破斷機(jī)構(gòu)中靜刃和動(dòng)刃采用沉淀硬化不銹鋼，承力座和連接板采用TC4，破斷銷采用熱處理的鈹青銅材料，實(shí)效熱處理后的力學(xué)性能高。

材料的狀態(tài)方程采用Mie-Gruneisen狀態(tài)方程[2]。

材料的失效模型采用主應(yīng)力失效模型，主方向由主應(yīng)力確定，主平面上的剪應(yīng)力均為零。最大剪應(yīng)力位于與主方向成45°的平面上，如果最大拉伸主應(yīng)力或最大剪應(yīng)力超過它們規(guī)定的極限，則材料開始失效。

應(yīng)急破斷機(jī)構(gòu)材料物理、力學(xué)參數(shù)和狀態(tài)方程參數(shù)如表1所列。

表1 材料物理、力學(xué)參數(shù)和狀態(tài)方程參數(shù)表表

3 算法及控制方程

采用AUTODYN拉格朗日算法，基于顯示格式的有限差分法，將材料附著在網(wǎng)格上，追蹤每一個(gè)質(zhì)量點(diǎn)的流動(dòng)，網(wǎng)格和材料一起變形，坐標(biāo)隨著材料一起變形，拉格朗日算法中很容易確定時(shí)間歷程，同樣也很容易確定材料和結(jié)構(gòu)截面以及內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，因此可以很好地模擬本結(jié)構(gòu)材料的動(dòng)態(tài)行為[4]。

拉格朗日坐標(biāo)系統(tǒng)中，用偏微分方程來表述質(zhì)量、動(dòng)力和能量守恒。拉格朗日網(wǎng)格連同材料一起移動(dòng)和變形，自動(dòng)滿足質(zhì)量守恒。

4 邊界條件及數(shù)值模擬結(jié)果

計(jì)算模型中邊界條件為：破斷銷中垂面為對(duì)稱約束；連接板下方采用固定約束；承力座上方施加16 170 N載荷；所有零件間為摩擦接觸，摩擦系數(shù)0.2，動(dòng)摩擦系數(shù)0.15。

4.1 應(yīng)急破斷機(jī)構(gòu)斷裂過程數(shù)值模擬

應(yīng)急破斷機(jī)構(gòu)剪切斷裂的過程如圖2所示。

圖2 應(yīng)急破斷機(jī)構(gòu)斷裂過程

當(dāng)(t=0.3e-4)時(shí)，在豎直向上的破斷力作用下，動(dòng)刃與破斷銷首先發(fā)生接觸，并產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，但未達(dá)到屈服極限，材料發(fā)生彈性變形；當(dāng)(t=0.9e-4)時(shí)，應(yīng)力向破斷銷中部擴(kuò)展，并增大到943 MPa，達(dá)到了屈服極限，材料發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生斷裂裂紋；當(dāng)(t=1.5e-4)時(shí)，裂紋形成，斷裂面材料失效，斷面應(yīng)力消失；當(dāng)(t=3.6e-4)時(shí)，破斷銷斷裂成兩部分，一部分隨承力座和動(dòng)刃向上加速運(yùn)動(dòng)，另一部分隨連接板靜止不動(dòng)。

剪切時(shí)各階段的受力不同，造成剪切后的銷斷面存在不同剪切特征帶。圓角區(qū)是在棒料上的剪切力和因剪切力形成的彎曲力矩共同作用，使刃口附近的材料在力的作用下發(fā)生塑性變形而形成的。當(dāng)動(dòng)刃切入材料后，在塑性變形和彎曲力矩引起的側(cè)向擠壓力的作用下。材料被動(dòng)刃和靜刃側(cè)表面擠壓而形成的光亮帶。隨著剪切進(jìn)行，刃口處的裂紋在力作用不斷擴(kuò)展，當(dāng)應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度即會(huì)發(fā)生失穩(wěn)斷裂，而形成的失穩(wěn)斷裂面。

4.2 參數(shù)影響分析

破斷銷直徑對(duì)斷裂特性的影響如圖3、4所示。

圖3 破斷銷直徑對(duì)等效應(yīng)力的影響

圖4 破斷銷直徑對(duì)加速度的影響

不同直徑的破斷銷等效應(yīng)力歷程變化趨勢相同，且最大等效應(yīng)力幾乎相等，彈性變形、塑性變形、屈服變形和斷裂時(shí)間幾乎相同。但是裂紋形成后，等效應(yīng)力的波動(dòng)則出現(xiàn)明顯的區(qū)別，隨著直徑的增加，等效應(yīng)力的波動(dòng)越大，在后面階段則出現(xiàn)兩種分化現(xiàn)象。不同直徑的破斷銷對(duì)加速度的影響比較明顯，隨著直徑的增加影響越大，直徑越小，加速度曲線越趨于平穩(wěn)。

動(dòng)刃和靜刃軸向間隙對(duì)斷裂性能的影響如圖5、6所示。軸向間隙為0.8 mm時(shí)的應(yīng)力峰值最大，可見在此間隙的剪切效果最為理想。當(dāng)間隙很小時(shí)，動(dòng)刃和靜刃的摩擦阻力起到重要的作用，剪切應(yīng)力反而減小，當(dāng)間隙很大時(shí)，摩擦阻力的作用十分小，材料不僅受到了剪切應(yīng)力，還受到了彎曲應(yīng)力，導(dǎo)致剪切應(yīng)力隨著間隙的增大而減小。軸向間隙對(duì)加速度的影響比較明顯，軸向間隙越大，出現(xiàn)峰值加速度的時(shí)間越靠前，且數(shù)值越小。

圖5 軸向間隙對(duì)等效應(yīng)力的影響

圖6 軸向間隙對(duì)加速度的影響

動(dòng)刃和靜刃與破斷銷的徑向間隙對(duì)斷裂性能的影響如圖7、8所示。隨著徑向間隙的增大，應(yīng)力峰值的時(shí)間越靠后，數(shù)值幾乎相同。因?yàn)閺较蜷g隙越大，意味著動(dòng)刃和破斷銷在與靜刃沖擊剪切之前的運(yùn)動(dòng)時(shí)間越長，因此應(yīng)力和剪應(yīng)力增加的時(shí)間靠后。徑向間隙對(duì)加速度的影響非常明顯，徑向間隙越大，加速度波動(dòng)越小，剪切過程相對(duì)平穩(wěn)，有利于剪切效果的提高。

圖7 徑向間隙對(duì)等效應(yīng)力的影響

圖8 徑向間隙對(duì)加速度的影響

5 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬方法驗(yàn)證了應(yīng)急破斷機(jī)構(gòu)的斷裂機(jī)理及影響因素，總結(jié)得出如下結(jié)論：

(1) 應(yīng)急破斷機(jī)構(gòu)的斷裂經(jīng)過彈性變形、塑性變形、裂紋產(chǎn)生和滑移擴(kuò)展、斷裂分離等幾個(gè)階段，是一個(gè)高度非線性的材料失效行為。

(2) 在應(yīng)急破斷機(jī)構(gòu)作用過程中，破斷銷是受力最為復(fù)雜，載荷最嚴(yán)厲的零件。

(3) 破斷銷的損傷受到幾何參數(shù)的影響，直徑越小，破斷越快越干脆；徑向間隙越大，越有利于破斷銷的損傷破壞，徑向間隙的大小則需要權(quán)衡使用效果以及破斷銷的損傷效果。

此次數(shù)值模擬的結(jié)果在應(yīng)急破斷機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究中具有重要的指導(dǎo)性意義。