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    基于平均應(yīng)力修正的綜框疲勞損傷分析及壽命預(yù)測

    2023-08-10 16:37:00邱海飛王穩(wěn)李春風(fēng)劉淑冰
    絲綢 2023年7期
    關(guān)鍵詞:綜框紗線橫梁

    邱海飛 王穩(wěn) 李春風(fēng) 劉淑冰

    摘要: 針對綜框的高速特性和復(fù)雜承載狀態(tài),采用平均應(yīng)力修正法對其疲勞特性進(jìn)行仿真研究。文章在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與負(fù)載估算基礎(chǔ)上,通過ANSYS/WorkBench協(xié)同仿真環(huán)境實(shí)現(xiàn)了綜框的有限元建模與靜力分析。以基本S-N疲勞性能曲線為依據(jù),構(gòu)建基于nCode DesignLife的預(yù)定義疲勞項(xiàng)目仿真流程,探究正弦時(shí)間序列載荷作用下的綜框疲勞行為。結(jié)果顯示:鋁合金綜框失效狀態(tài)為高周疲勞破壞(>2.6×105),其疲勞損傷主要發(fā)生在橫梁兩端局部區(qū)域,尤其是在彈簧懸掛處,集中分布有多個(gè)潛在失效危險(xiǎn)域;鐵質(zhì)綜框疲勞損傷覆蓋區(qū)相對更大,且整體抗疲勞性能明顯不及鋁合金綜框。可為實(shí)際工況下的綜框疲勞壽命分析及損傷機(jī)理研究提供有力參考。

    關(guān)鍵詞: 綜框;紗線張力;疲勞壽命;載荷譜;損傷;應(yīng)力;nCode DesignLife

    中圖分類號: TS103.133; TH114

    文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

    文章編號: 1001-7003(2023)07-0084

    作者簡介:

    邱海飛(1983),男,副教授,主要從事紡織機(jī)械設(shè)計(jì)與設(shè)備研發(fā)。

    工程實(shí)踐和應(yīng)用研究表明,當(dāng)疲勞損傷逐步累積到一定程度時(shí),任何材料都會發(fā)生疲勞破壞。因此,在設(shè)計(jì)機(jī)械零部件或工程結(jié)構(gòu)時(shí),必須考慮材料的疲勞破壞極限,以免造成不必要的損失或安全生產(chǎn)事故[1]。在織造生產(chǎn)過程中,由于開口系統(tǒng)長時(shí)間處于高速運(yùn)行狀態(tài),使得綜框同時(shí)承受著多種動(dòng)態(tài)交變載荷,如紗線張力、彈簧回綜力、連桿或凸輪提綜力等。這種情況下,當(dāng)交變應(yīng)力循環(huán)達(dá)到一定次數(shù)時(shí),綜框?qū)⒉豢杀苊獾禺a(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷與疲勞破壞。例如,當(dāng)織機(jī)在800 r/min車速下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),鋁合金綜框易因出現(xiàn)疲勞裂紋而導(dǎo)致框架斷裂[2],由此引發(fā)的織造中斷或停機(jī)檢修是紡織企業(yè)不希望發(fā)生的。

    理想的綜框應(yīng)具備質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、振動(dòng)噪聲小及抗疲勞性強(qiáng)等特點(diǎn)。當(dāng)前,新型無梭織機(jī)的車速已高達(dá)1 800 r/min,入緯率亦高達(dá)2 000 m/min,由此產(chǎn)生的工藝升級對于織機(jī)開口的綜合性能要求愈加苛刻[3],尤其是綜框的疲勞耐久性與抗損傷能力,更是直接關(guān)系到織造生產(chǎn)效率和企業(yè)利潤。因此,在實(shí)際工況下,必須充分考慮綜框受交變應(yīng)力影響所發(fā)生的疲勞破壞。以往針對綜框的技術(shù)探索主要集中在材料創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及靜動(dòng)態(tài)特性研究等方面,目前僅有李劍敏等[4],利用有限元方法對綜框邊桿進(jìn)行了疲勞分析和壽命預(yù)測,同時(shí)結(jié)合應(yīng)力實(shí)測結(jié)果對邊桿結(jié)構(gòu)加以改進(jìn),有效延長了邊桿疲勞壽命。然而此類研究并未涉及綜框本體的疲勞損傷分析及壽命預(yù)測,不能從整體負(fù)荷角度為綜框工作耐久性評估提供有效依據(jù)。

    綜上,本文結(jié)合織機(jī)開口系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和綜框?qū)嶋H承載條件,通過聯(lián)合運(yùn)用ANSYS/WorkBench和nCode DesignLife,對鋁合金綜框和鐵質(zhì)綜框的疲勞特性進(jìn)行仿真研究,明確了交變載荷影響下的綜框疲勞損傷及壽命分布,有助于從宏觀層面準(zhǔn)確理解綜框本體的疲勞破壞機(jī)理,從而為綜框結(jié)構(gòu)的疲勞分析和耐久性研究提供重要支持。

    1 綜框結(jié)構(gòu)

    作為織機(jī)開口機(jī)構(gòu)的核心部件,綜框通過高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)使紗線上下分離形成梭口,其主體結(jié)構(gòu)由橫梁與邊桿裝配而成,其他零部件(導(dǎo)板、綜絲、穿綜桿及綜絲夾等)則根據(jù)技術(shù)要求配置于橫梁或邊桿之上,如圖1所示。由于受到多種直接或間接交變載荷影響,應(yīng)使綜框各構(gòu)件之間的連接盡量牢固,以確保其在高速承載狀態(tài)下不散架。

    為降低開口系統(tǒng)的慣性載荷,實(shí)際當(dāng)中多將綜框橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為中空形式,為一種薄壁中空形式的橫梁截面,在橫梁內(nèi)部沿長度方向布設(shè)有三條平行加強(qiáng)筋板,如圖2所示。其中,h為橫梁高度,t為橫梁寬度。通過采用這種含加強(qiáng)筋板的中空橫梁,不僅可以有效減輕綜框的質(zhì)量及振動(dòng)噪聲[5],而且能夠大幅降低綜框的設(shè)計(jì)研發(fā)成本,有利于提升綜框的實(shí)用性價(jià)比。

    2 動(dòng)態(tài)載荷計(jì)算

    2.1 紗線張力

    按穿綜桿固定形式可將綜框分為連體式和分體式兩種,前者直接將穿綜桿固定于橫梁之上,而后者則通過托座將穿綜桿與橫梁進(jìn)行固定。由于片綜掛都是裝于穿綜桿之上,所以對于連體式綜框,可通過等效計(jì)算將紗線張力近似轉(zhuǎn)化至橫梁。

    當(dāng)綜框拉動(dòng)紗線運(yùn)動(dòng)至下限位置時(shí),梭口處于滿開狀態(tài),此時(shí)片紗張力達(dá)到最大,且通過片綜和穿綜桿分別轉(zhuǎn)移至上、下橫梁。本文以28 tex中平布純棉平紋織物為織造對象,在梭口滿開時(shí)假設(shè)上、下橫梁承受的紗線張力相等,則可按下式近似計(jì)算最大片紗張力Tmax。

    3 靜力承載分析

    3.1 有限元模型

    采用四面體單元離散綜框結(jié)構(gòu),建立如圖3所示有限元模型,WorkBench網(wǎng)格劃分結(jié)果共產(chǎn)生596 154個(gè)單元和941 194個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于綜框結(jié)構(gòu)為平面框架組件,所以需在各連接構(gòu)件之間設(shè)定綁定接觸,同時(shí)為保證有限元分析精度,還需對關(guān)鍵接觸區(qū)域和局部特征等進(jìn)行網(wǎng)格加密處理,如橫梁與邊桿連接區(qū)域、導(dǎo)板與橫梁接觸區(qū)域及部分邊緣區(qū)域等,如圖3所示G1、G2網(wǎng)格區(qū)。

    根據(jù)開口系統(tǒng)實(shí)際承載狀態(tài)設(shè)定邊界條件,通過綜框幾何模型編輯與處理,在回綜彈簧懸掛區(qū)、紗線張力分布區(qū)設(shè)定印記面,并將紗線張力以線性均布載荷q分別加載至上、下橫梁,同時(shí)將回綜力Fh和提綜力Ft分別加載至上橫梁與邊桿相應(yīng)位置。為滿足靜力分析條件,還需對邊桿外側(cè)面施加固定約束。

    3.2 應(yīng)力與變形

    運(yùn)行有限元靜力學(xué)計(jì)算,獲得如圖4所示應(yīng)力和變形結(jié)果。分析可知,綜框上橫梁兩端區(qū)域應(yīng)力分布較為明顯,最大承載區(qū)主要位于上橫梁與邊桿接觸位置,十分明顯,此處最大等效應(yīng)力約為101 MPa。由于鋁合金的拉伸/壓縮屈服強(qiáng)度為280 MPa,抗拉極限強(qiáng)度為310 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于靜力作用下產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力,因此綜框結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

    從變形云圖可以清楚看到,相對于綜框原始形態(tài),其上、下橫梁均發(fā)生了不同程度的彎曲變形,如圖5所示。對比可知,上橫梁的彎曲幅度明顯大于下橫梁,主要原因是上橫梁同時(shí)承受了彈簧回綜力與紗線張力,而下橫梁只受到紗線張力作用。值得注意的是,雖然上橫梁中心區(qū)域彎曲幅度較大,但其形變量僅在0.62 mm左右,可見靜力變形十分微小,不會影響綜框的整體剛度安全。

    4 疲勞分析基礎(chǔ)

    4.1 基本S-N曲線

    在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)測試條件下,影響S-N曲線的因素有多種,如應(yīng)力集中系數(shù)KT、應(yīng)力比R、平均應(yīng)力Sm及加載方式等[8]。其中,應(yīng)力比R是指試件加載過程中的最小應(yīng)力Smin與最大應(yīng)力Smax之比,如下式所示:

    R=SminSmax(5)

    式中:應(yīng)力比R不同,S-N曲線亦不相同[9]。對于橫幅循環(huán)加載,應(yīng)力比R=-1(即Smin=-Smax),平均應(yīng)力Sm=0,在此條件下獲得的S-N曲線為材料的基本疲勞性能曲線。

    ANSYS/WorkBench工程數(shù)據(jù)具有豐富的材料類型,并可與nCode DesignLife材料庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。本文以強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的鋁合金作為綜框材質(zhì),其在不同應(yīng)力比R下的S-N曲線如圖6所示。由圖6可以看到,當(dāng)應(yīng)力比R=-1、-0.5、0、0.5時(shí),鋁合金S-N曲線的形態(tài)分布呈現(xiàn)出明顯差異。考慮到綜框?qū)嶋H承載狀態(tài),在此選用應(yīng)力比R=-1的橫幅循環(huán)加載S-N曲線進(jìn)行疲勞分析。

    4.2 平均應(yīng)力修正

    交變載荷平均應(yīng)力對疲勞壽命具有重要影響,對于相同的應(yīng)力幅值,平均應(yīng)力越大,材料的疲勞壽命越低[10]。實(shí)際當(dāng)中,限于試驗(yàn)條件和經(jīng)濟(jì)性因素,很難獲得具有多種不同平均應(yīng)力的S-N曲線,因此,在開展疲勞分析研究時(shí)需要對非零平均應(yīng)力進(jìn)行修正。

    nCode DesignLife具有多種平均應(yīng)力修正方法,如Goodman、Gerber、Interpolate、FMK等。其中,Goodman修正方法通過每個(gè)周期的平均應(yīng)力和拉伸極限強(qiáng)度來計(jì)算有效應(yīng)力幅值[11],如下式所示,該方法適用于應(yīng)力比R=-1的S-N曲線和拉伸平均應(yīng)力修正。

    SaSe(-1)+SmSu=1(6)

    式中:Sa表示材料在實(shí)際工況下的應(yīng)力幅;Sm表示平均應(yīng)力;Se(-1)表示應(yīng)力比R=-1時(shí)的應(yīng)力幅;Su表示材料拉伸極限強(qiáng)度。

    由于綜框在紗線張力、回綜力、提綜力等交變載荷作用下主要產(chǎn)生拉伸應(yīng)力,而且鋁合金材料S-N曲線的應(yīng)力比R=-1,因此,本文將Goodman平均應(yīng)力修正方法應(yīng)用于綜框疲勞分析。通過Goodman平均應(yīng)力修正,可將非零平均應(yīng)力的應(yīng)力幅值等效轉(zhuǎn)化為平均應(yīng)力為零的應(yīng)力幅值,從而能夠利用對稱加載的S-N曲線來實(shí)現(xiàn)非對稱加載時(shí)的疲勞壽命計(jì)算[12]。

    4.3 時(shí)間序列載荷譜

    載荷譜是結(jié)構(gòu)疲勞分析、可靠性設(shè)計(jì)和壽命估算的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[13]。對于等幅變化的動(dòng)態(tài)交變載荷,可通過時(shí)間序列發(fā)生器(time series generator)來定義。圖7為幅值為1、頻率為1 Hz的正弦時(shí)間序列載荷譜,從曲線波形可以看出,該時(shí)間-載荷歷程為R=-1的常幅譜(對稱循環(huán)疲勞載荷),即所有循環(huán)載荷的峰值相等、谷值相等。

    通過WorkBench集成環(huán)境下的數(shù)據(jù)繼承與傳遞,將綜框幾何模型、材料屬性、網(wǎng)格數(shù)據(jù)及靜力學(xué)分析結(jié)果等輸入至nCode DesignLife模塊,構(gòu)建如圖8所示預(yù)定義疲勞分析項(xiàng)目仿真流程。假設(shè)織機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為600 r/min,根據(jù)平紋織物織造工藝,開口主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)為300 r/min,由此可知,在0~1 s時(shí)間內(nèi),綜框承受的交變載荷頻率為5 Hz,此即作用于綜框的疲勞分析時(shí)間序列載荷。

    5 結(jié)果與討論

    5.1 疲勞損傷

    通過負(fù)載映射加載正弦時(shí)間序列,同時(shí)編輯材料映射和相關(guān)參數(shù)設(shè)置,在此基礎(chǔ)上運(yùn)行VCR計(jì)算,獲得如圖9所示綜框疲勞損傷分析結(jié)果。對比各區(qū)域損傷狀態(tài)發(fā)現(xiàn),鋁合金綜框的疲勞損傷主要發(fā)生在靠近上橫梁兩端的局部區(qū)域(與等效應(yīng)力分布狀態(tài)完全匹配),如圖9(a)中的A區(qū)和B區(qū),可以清楚地看到,這兩個(gè)局部區(qū)域的損傷程度明顯偏大。尤其是在回綜彈簧懸掛處,分布有損傷較為嚴(yán)重的10個(gè)節(jié)點(diǎn),如圖9(b)(c)所示,其中最大損傷位于A區(qū)的722 012號節(jié)點(diǎn),損傷值為3.81×10-6。由此可見,綜框的疲勞失效具有典型局部特征,符合疲勞破壞基本規(guī)律。

    由Miner經(jīng)典理論可知,循環(huán)載荷作用下的疲勞損傷可以線性累加,如下式所示。

    D=nN(7)

    對于常幅載荷,當(dāng)載荷循環(huán)次數(shù)n等于疲勞壽命N時(shí),材料將發(fā)生疲勞破壞,此時(shí),疲勞損傷達(dá)到臨界狀態(tài),即D=DCR=1(DCR為臨界疲勞損傷)[14]。由圖9可知,鋁合金綜框上橫梁的局部最大損傷Dmax=3.81×10-6,遠(yuǎn)小于臨界疲勞損傷DCR,說明該綜框在正弦時(shí)間序列載荷作用下未達(dá)到臨界損傷,故不會發(fā)生疲勞破壞。

    5.2 疲勞壽命

    結(jié)合疲勞損傷分析結(jié)果,提取高危險(xiǎn)區(qū)10個(gè)節(jié)點(diǎn)處的疲勞壽命分析數(shù)據(jù),如表1所示。對比各節(jié)點(diǎn)及其疲勞仿真數(shù)據(jù)可知,在722 012號節(jié)點(diǎn)處,交變應(yīng)力介于-128.1 MPa~128.1 MPa,滿足設(shè)定的對稱循環(huán)疲勞載荷(R=1)條件。同時(shí),該節(jié)點(diǎn)處的最低疲勞壽命為2.63×105次循環(huán),與其最大疲勞損傷(Dmax=3.81×10-6)互為倒數(shù),符合疲勞損傷分析預(yù)期。

    根據(jù)疲勞分析基礎(chǔ)理論,疲勞壽命為總損傷值的倒數(shù)[15]。對比圖9、圖10可以發(fā)現(xiàn),鋁合金綜框的疲勞壽命危險(xiǎn)區(qū)與疲勞損傷危險(xiǎn)區(qū)高度一致,即上橫梁兩端局部區(qū)域最容易發(fā)生疲勞破壞。從交變載荷循環(huán)次數(shù)(壽命值)來看,該危險(xiǎn)域最低疲勞壽命超過26萬次,說明綜框疲勞破壞主要發(fā)生在高周疲勞區(qū)(N=104~106),總體疲勞壽命風(fēng)險(xiǎn)較小。

    5.3 分析與比較

    通過nCode DesignLife材料映射編輯綜框材質(zhì),采用耐磨性和減振性好的灰鑄鐵(Grey Cast Iron BS1452)替換鋁合金,并在相同條件下對其進(jìn)行疲勞分析,如圖11所示。由圖11(a)疲勞壽命分布可知,鐵質(zhì)綜框的疲勞危險(xiǎn)區(qū)同樣發(fā)生在722 012號節(jié)點(diǎn),其最低疲勞壽命為3 770次循環(huán),遠(yuǎn)小于鋁合金綜框的最低疲勞壽命(2.63×105)。由此可判斷,鐵質(zhì)綜框的抗疲勞性明顯不如鋁合金綜框,而且大概率將發(fā)生低周疲勞破壞。

    此外,鐵質(zhì)綜框易發(fā)生疲勞損傷的區(qū)域相對更大,如圖11(b)所示,在上橫梁兩端及中間大部分區(qū)域、下橫梁兩端局部區(qū)域、邊桿提綜接頭區(qū)域等,均有可能發(fā)生較大程度的疲勞損傷,說明這些區(qū)域的疲勞壽命相對較低。

    綜上可知,相對于鋁合金綜框,鐵質(zhì)綜框更容易發(fā)生疲勞破壞,而且在消極式開口系統(tǒng)中,回綜彈簧懸掛點(diǎn)是最有可能發(fā)生疲勞失效的危險(xiǎn)區(qū)域,所以需通過技術(shù)改造來增強(qiáng)橫梁彈簧懸掛區(qū)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。對此,可將具有優(yōu)異機(jī)械物理性能的碳纖維應(yīng)用于橫梁制備,通過這種基于新型碳纖復(fù)合材料的技術(shù)改造,不僅能夠有效增強(qiáng)彈簧懸掛區(qū)的疲勞耐久性,而且有利于實(shí)現(xiàn)綜框整體的輕量化與性能提升。

    6 結(jié) 語

    綜框疲勞行為是織造生產(chǎn)過程中不容忽視的風(fēng)險(xiǎn)因素,準(zhǔn)確分析和計(jì)算綜框的疲勞特性,對于織機(jī)系統(tǒng)的安全生產(chǎn)和穩(wěn)定運(yùn)行具有重要現(xiàn)實(shí)意義。通過考慮回綜力、紗線張力及提綜力等動(dòng)態(tài)載荷的綜合影響,在WorkBench和nCode DesignLife環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了綜框本體的疲勞損傷分析與壽命預(yù)測,明確了消極式開口中的綜框疲勞失效危險(xiǎn)區(qū),并對鋁合金綜框與鐵質(zhì)綜框的疲勞行為進(jìn)行了分析比較。相對于以往的綜框邊桿疲勞分析,本文以綜框全局結(jié)構(gòu)為疲勞分析對象,研究結(jié)果有助于更為深刻地理解綜框疲勞損傷機(jī)理,可為綜框疲勞耐久性研究提供重要借鑒與參考。

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