基于UG裝載機構件建模及疲勞壽命分析

張國文，郭維昭

(江西工業工程職業技術學院，萍鄉 337055)

0 引言

在可靠性工程中，一個復雜系統往往由大量的分系統或單元組成，而單元是系統的基礎，同時系統也可看作是一個單元，因此要研究系統的綜合可靠性問題與不同的壽命分布模型。對于機械產品其失效形式主要有結構完整性破壞，包括產品零部件強度降低、斷裂破壞、疲勞破壞和磨擦損傷等[1～3]。疲勞破壞是引起產品構件失效的重要原因。疲勞定義為[4]：在某點或某些點承受擾動應力，且在足夠多的循環擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發生的局部的、永久結構變化的發展過程。本文研究了裝載機的結構模型及壽命分析模型，對裝載機使用可靠性最差的搖臂進行了壽命預算。

1 裝載機的結構模型

裝載機工作裝置主要有以下幾部分組成：1鏟斗，2連桿，3搖臂，4動臂，5銷軸。結構如圖1所示。

2 構件疲勞壽命分析模型

圖1 裝載機工作裝置結構

針對構件疲勞失效形式，建立疲勞壽命分析模型。模型結構如圖2所示。本文將UG與有限元分析軟件結合，進行有限元模型的建立，首先在UG中創建三維實體模型，再將模型以Parasol格式傳送給非線性有限元分析軟件ABAQUS。進行幾何修復后，得到有限元實體模型。

3 使用疲勞壽命預估

圖2 疲勞壽命分析模型

疲勞是在循環荷載下，材料局部發生損傷的累積過程。在每一次應力作用下，零件壽命就要受到微量的疲勞損傷，當疲勞損傷積累到一定程度達到疲勞壽命極限時便發生疲勞斷裂。利用相似構件在實際載荷譜下的使用理論和損傷的相對Miner理論能進行壽命預測。圖3為一零件的規律性非穩定變應力直方圖，圖中是當循環特性為r時各個循環的最大應力，N1，N2，…Nn為與各應力相對應的積累循環次數。如圖4所示為應力—循環次數關系圖，N1'， N2',…,Nn'為與各應力對應的材料發生疲勞破壞時的極限循環次數。

圖3 規律性非穩定變應力直方圖

圖4 應力—循環次數關系圖

Miner線性疲勞損傷積累理論指出:應力每循環一次，造成零件的一次壽命損傷，故其總壽命損傷率：

零件達到疲勞極限時，理論上總壽命損傷率為1，即

在估算疲勞壽命時，假設認為：應力小于疲勞極限應力 對疲勞壽命無影響。工程機械構件所受應力經試驗發現都是隨機應力，隨機應力的時間歷程不能用一個明確的數學關系式來描述和確定在未來某一瞬間的應力準確值，而應用有限元分析軟件可以準確得到工作循環隨機載荷譜，根據此載荷譜可以進行疲勞壽命預估。首先將載荷轉換為當量對稱循環應力氏，然后代入疲勞曲線方程式進行求解。根據Goodman疲勞極限圖進行計算，計算公式如下[5,6]:

m—指數；

則構件疲勞工作循環次數為：

4 搖臂使用壽命的估算

根據搖臂的實體模型建立有線元模型，材料屬性設定：搖臂材料為Q345(16Mn)，彈性模量E=2.07xl011，泊松比μ=0.3。單元類型選擇：由于搖臂結構較為復雜，這里采用適應性較好的4節點實體C3D4。邊界條件加載：根據裝載機工作裝置的實際工作狀況，約束搖臂銷軸內孔平面的X、Y、Z三個方向的自由度。網格劃分：設定單元大小并對搖臂模型進行了單元劃分。運用ABAQUS進行動態分析，計算得到隨時間變化搖臂應力的分布情況，搖臂有限元實體模型如圖5所示。

圖5 搖臂有限元實體模型

由于載荷方向、大小在不斷變化，所以搖臂上不可能有某個點始終處于最大應力狀態，但總有一個區域應力處于較高水平。為了數據提取的方便，假設這個區域內有一點A，應力始終處于最大值，如果這一點的強度、壽命等指標達到要求，整個搖臂也就達到要求了。

表1 當量對稱循環應力 的計算結果

與當量對稱循環應力 和 對應的材料疲勞破壞的極限循環次數分別為：

極限正載工況下搖臂的工作循環次數：

假設裝載機每次完成鏟掘時間2分鐘，每天不間斷工作8小時，每年工作300天，這樣裝載機每年的工作循環次數為72000次，裝載機搖臂疲勞失效前的工作時間約為一年零六個月，本實例考慮的是極限正載工況，而在實際工作中，裝載機所受外載荷比極限正載時小，但工況較為復雜，包括各種各樣的偏載。

5 結論

通過UG與有限元分析軟件模型的建立，分析得出：裝載機每次完成鏟掘時間2分鐘，每天不間斷工作8小時，每年工作300天，這樣裝載機每年的工作循環次數為72000次，裝載機搖臂疲勞失效前的工作時間約為一年零六個月。

[1] Grant Ireson W,Coombs C.E, Moss R.Y.Handbook of Reliability Engineering and Management[M]. McGraw-Hill.New York,1996.

[2] Doyle R.L.Mechanical-system reliability[J].Tutorial Notes,Annu.Reliability Maintainability Symp,1992.

[3] Chunghun Ha,Way Kuo. Approach for Reliability-Redundancy Allocation Using a Scaling Method[J].Journal of Heuristics,2005,(11):201-217.

[4] 陳傳堯.疲勞與斷裂[M].武漢:華中科技大學出版社.2002.

[5] 邱宣懷.機械設計[M].北京:高等教育出版社,1997.

[6] 姚衛星.結構疲勞壽命分析[M].北京:國防工業出版社,2004.

[7] 馮秀玲.王永軍.杜紅英.提高壓力機搖擺軸疲勞強度的技術措施[J].鍛壓裝備與制造技術,2006,(5).

[8] 李舜酩.機械疲勞與可靠性設計,2006.

[9] 李哲林.裝載機的工作性能分析,2008(3).

[10] 楊先勇.橋式起鶯機主梁疲勞壽命研究[D].2005.

[11] 王德俊.疲勞強度設計.中國機械設計大典,2002.

[12] 莊茁,蔣持平.工程斷裂與損傷,2004.

[13] 《機械工程材料性能數據手冊》編委會.機械工程材料性能數據手冊,1994.

[14] 魏良模,朱新榕,孫友松,魏航.變速驅動曲柄壓力機運動分析[J].鍛壓裝備與制造技術,2004,(3).