陶瓷液壓機(jī)上橫梁的有限元疲勞壽命研究

吳南星 陳常清 黃志誠(chéng)

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

1 前言

壓機(jī)是陶瓷工業(yè)設(shè)備中的一種重要陶瓷生產(chǎn)設(shè)備，常見的液壓機(jī)通常是三梁四柱，主要由液壓缸、上橫梁、下橫梁、活動(dòng)橫梁和立柱組成（1）。由于陶瓷成型工藝的特殊性，陶瓷液壓機(jī)在連續(xù)工作的情況下工作時(shí)要求保持很高的穩(wěn)定性和可靠性。在陶瓷液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)中，機(jī)架是液壓機(jī)最關(guān)鍵的主要部件。這要求機(jī)架有足夠的剛度，可以保證強(qiáng)度和可靠性，與此同時(shí)，由于陶瓷液壓機(jī)的連續(xù)工作情況下的頻率高達(dá)10000次/日以上，所以陶瓷液壓機(jī)還需要具備高強(qiáng)度的疲勞抗力和長(zhǎng)的疲勞壽命。因此，我們通過PRO/E建立壓機(jī)的三維模型和通過ansys有限元軟件對(duì)四柱陶瓷液壓機(jī)的上橫梁進(jìn)行應(yīng)力分析和疲勞壽命的研究，可以為優(yōu)化陶瓷液壓機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

2 壓機(jī)上橫梁的有限元分析

決定陶瓷液壓機(jī)上橫梁壽命最重要的一個(gè)數(shù)據(jù)是上橫梁工作時(shí)的拉應(yīng)力幅值，所以在進(jìn)行壽命設(shè)計(jì)之前應(yīng)該通過ansys有限元軟件對(duì)上橫梁的有限元分析來求得這一數(shù)值。ANSYS軟件具有如下功能可對(duì)液壓機(jī)上橫梁的疲勞（2）進(jìn)行研究：（1）后處理所得到的應(yīng)力結(jié)果來確定體單元或殼單元模型的疲勞壽命耗用系數(shù)（用作疲勞計(jì)算的線單元模型的應(yīng)力必須人工輸入）；（2）可以在一系列預(yù)先選定的位置上，確定一定數(shù)目事件及組成這些事件的載荷（一個(gè)應(yīng)力狀態(tài)），然后把這些位置上的應(yīng)力儲(chǔ)存起來；（3）可以在選定的位置上定義應(yīng)力集中系數(shù)和每一個(gè)應(yīng)力循環(huán)定義比例系數(shù)。得到累積疲勞壽命耗用系數(shù)，該系數(shù)小于1，則是可行的。然后再用傳統(tǒng)的疲勞分析理論與之比較，通過海線圖把個(gè)節(jié)點(diǎn)將應(yīng)力幅值表示出來，以此來判斷橫梁的疲勞壽命。

2.1 液壓機(jī)橫梁的一般參數(shù)

橫梁的材料為鑄鋼，牌號(hào)為ZG270-50，其特性系數(shù)及力學(xué)性能如下：屈服極限270MPa，強(qiáng)度極限500MPa，對(duì)稱循環(huán)極限180MP，最大工作壓力為21000kN，每根拉桿的預(yù)緊力為5.5MN。

由圖1可知，橫梁是一個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)稱的零件，因此，可取其四分之一進(jìn)行有限元分析。這樣既可以增加計(jì)算單元的數(shù)目，提高計(jì)算精度，同時(shí)又不至使計(jì)算量過大。網(wǎng)格劃分時(shí)，我們選取四面體單元，并采用單元自動(dòng)劃分方法，并在內(nèi)孔和R40圓弧部位進(jìn)行單元細(xì)劃（3），如圖2所示，分析模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為33671，單元數(shù)為15486。

2.2 分析計(jì)算

有限元疲勞分析應(yīng)在取得強(qiáng)度分析應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上，再以材料的疲勞特性為依據(jù)進(jìn)行疲勞計(jì)算（4）。下面首先對(duì)陶瓷液壓機(jī)的上梁進(jìn)行強(qiáng)度分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)壓機(jī)的整體疲勞壽命進(jìn)行分析計(jì)算。

表1 各個(gè)循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力極限Tab.1 Ultimate stress for differentnumber of cycles

表2 采樣點(diǎn)的主應(yīng)力和應(yīng)力幅Tab.2 Principalstress and stress am plitude of each sam pled point

2.2.1 強(qiáng)度分析

強(qiáng)度分析結(jié)果及最大應(yīng)拉、壓力（MX）所在位置如圖3、4所示，最大的von-mises發(fā)生在橫梁上壓螺母處，應(yīng)力值為178.665MPa，但此處為壓應(yīng)力，小于許用應(yīng)力，最大拉應(yīng)力發(fā)生在R40圓弧部位，其Vonmises應(yīng)力值約為95MPa，它才是引起橫梁疲勞失效的主要因素。

2.2.2 疲勞分析

（1）有限元疲勞分析

由其疲勞曲線p-S-N和疲勞曲線logNp=ap+bplogσ（式中：p=90％時(shí)，ap=26·9080，bp=8·4102），可以計(jì)算出各個(gè)循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力極限，如表1所示。把表1中的數(shù)據(jù)輸入到ANSYS進(jìn)行疲勞計(jì)算，累積疲勞壽命耗用系數(shù)為0.6865，小于1，說明該上梁不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

（2）傳統(tǒng)疲勞計(jì)算

各種實(shí)踐證明，通過ansys對(duì)陶瓷液壓機(jī)機(jī)進(jìn)行靜力分析、接觸分析和動(dòng)力學(xué)分析的結(jié)果，與實(shí)際物理樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有高度的一致性。因此，可從ANSYS靜力分析結(jié)果中，導(dǎo)出一些特殊點(diǎn)的應(yīng)力值（見表2），用于計(jì)算出應(yīng)力幅，進(jìn)而作出海（haigh）線圖，由此來判斷液壓機(jī)的上橫梁是會(huì)出現(xiàn)疲勞失效。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)的主應(yīng)力和應(yīng)力幅，建立圖5所示海線圖，其中陰影部分為采樣點(diǎn)所處位置，由圖可見這些均在LMK折線下，表示采樣點(diǎn)處的疲勞裂紋不會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，故采樣點(diǎn)處不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。可見：利用有限元疲勞分析得出的結(jié)果，與傳統(tǒng)海線圖所得的疲勞分析結(jié)果是相符合的，這說明陶瓷液壓機(jī)壓機(jī)上橫梁結(jié)構(gòu)有限元疲勞分析的可靠性和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

由強(qiáng)度分析可知，該上梁結(jié)構(gòu)所受的最大應(yīng)力（95MPa）遠(yuǎn)小于其材料的屈服極限和強(qiáng)度極限，上梁在實(shí)際工作過程中不會(huì)發(fā)生靜力破壞。由疲勞分析可知，累積疲勞壽命耗用系數(shù)為0.6865，故陶瓷液壓機(jī)上梁結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力發(fā)生位置處不會(huì)發(fā)生疲勞破壞，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、節(jié)省材料成本方面仍有空間。

1張柏清等.全自動(dòng)液壓壓磚機(jī).南昌：江西科學(xué)技術(shù)出版社，2002

2ANSYS，Inc.Basic AnalysisProceduresGuide.Release5.7.2003

3黃志誠(chéng)，胡偉文.全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)上橫梁有限元分析.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007，9

4王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法，北京：清華大學(xué)出版社，1995