ANSYS挖掘機(jī)連桿螺栓的疲勞壽命分析(一)

2013-07-17 by:廣州有限元培訓(xùn)實(shí)踐中心來(lái)源:仿真在線

0 引言

連桿螺栓是發(fā)動(dòng)機(jī)乃至整個(gè)挖掘機(jī)中最重要、強(qiáng)度要求最高的螺栓之一,由于工作環(huán)境惡劣,承受交變載荷的作用,一直處于疲勞應(yīng)力狀態(tài)。由于其尺寸受到限制,若設(shè)計(jì)或加工處理不好,極易產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中,導(dǎo)致出現(xiàn)疲勞裂紋乃至斷裂。因此.除一般的機(jī)械性能要求外,還對(duì)其抗疲勞性能有較高的要求。事實(shí)上,在對(duì)SOFIM連桿螺栓進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí),僅循環(huán)近1×106次就出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象,而其疲勞壽命要求的循環(huán)次數(shù)為5x106次。本文針對(duì)該連桿螺栓出現(xiàn)的早期疲勞斷裂問(wèn)題,利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行疲勞分析,并在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)方法。

1 疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)方法

試驗(yàn)按《螺紋緊固件軸向載荷疲勞試驗(yàn)方法》(GB/T13682--92)在PLG一200B高頻拉壓疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試件為連桿螺栓實(shí)物。試驗(yàn)的平均載荷為11.55 kN,交變載荷是幅值為9.45 kN、頻率為200 Hz的正弦波。當(dāng)試件達(dá)到破壞極限或試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)達(dá)到要求的5×106次時(shí)停止試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 疲勞試驗(yàn)

12.9級(jí)連桿螺栓的疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可見(jiàn)。在20個(gè)試件中,僅有2個(gè)合格,其余的18個(gè)斷裂部位均發(fā)生在連桿螺栓桿部與頭部的過(guò)渡圓弧處。

連桿螺栓的滾絲工藝是在熱處理工藝之后進(jìn)行的,在螺紋處容易形成壓應(yīng)力。使螺紋得到強(qiáng)化,提高了螺紋處的疲勞壽命。但其頸部形狀復(fù)雜,由三段圓弧組成,如圖1所示.三段圓弧的半徑各不相同,圓弧的過(guò)渡連接處理在實(shí)際生產(chǎn)中很難完全達(dá)到圖紙的要求。有可能導(dǎo)致在連桿螺栓桿部與頭部的過(guò)渡圓弧處出現(xiàn)應(yīng)力集中,使抗疲勞性能下降。

2.2 疲勞壽命

2.2.1 有限元模型的建立

利用ANSYS軟件對(duì)連桿螺栓在承受最大載荷、平均載荷和最小載荷時(shí)各點(diǎn)的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析。

考慮到高強(qiáng)度螺栓的滾絲工藝是在熱處理工藝之后完成的,使得螺紋處得以強(qiáng)化,且疲勞試驗(yàn)的結(jié)果也表明早期疲勞斷裂的確發(fā)生在桿部與頭部的過(guò)渡圓弧處,故可完全忽略螺紋的影響。為了更好地模擬螺栓的實(shí)際工作情況,在螺栓上裝配了螺母,并忽略螺紋的影響,將螺栓和螺母視為一個(gè)整體建立幾何模型。

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