陶瓷液壓機上橫梁的有限元疲勞壽命研究

吳南星 陳常清 黃志誠

（景德鎮陶瓷學院機電學院，江西景德鎮333403）

1 前言

壓機是陶瓷工業設備中的一種重要陶瓷生產設備，常見的液壓機通常是三梁四柱，主要由液壓缸、上橫梁、下橫梁、活動橫梁和立柱組成（1）。由于陶瓷成型工藝的特殊性，陶瓷液壓機在連續工作的情況下工作時要求保持很高的穩定性和可靠性。在陶瓷液壓機的結構中，機架是液壓機最關鍵的主要部件。這要求機架有足夠的剛度，可以保證強度和可靠性，與此同時，由于陶瓷液壓機的連續工作情況下的頻率高達10000次/日以上，所以陶瓷液壓機還需要具備高強度的疲勞抗力和長的疲勞壽命。因此，我們通過PRO/E建立壓機的三維模型和通過ansys有限元軟件對四柱陶瓷液壓機的上橫梁進行應力分析和疲勞壽命的研究，可以為優化陶瓷液壓機的結構設計提供參考。

2 壓機上橫梁的有限元分析

決定陶瓷液壓機上橫梁壽命最重要的一個數據是上橫梁工作時的拉應力幅值，所以在進行壽命設計之前應該通過ansys有限元軟件對上橫梁的有限元分析來求得這一數值。ANSYS軟件具有如下功能可對液壓機上橫梁的疲勞（2）進行研究：（1）后處理所得到的應力結果來確定體單元或殼單元模型的疲勞壽命耗用系數（用作疲勞計算的線單元模型的應力必須人工輸入）；（2）可以在一系列預先選定的位置上，確定一定數目事件及組成這些事件的載荷（一個應力狀態），然后把這些位置上的應力儲存起來；（3）可以在選定的位置上定義應力集中系數和每一個應力循環定義比例系數。得到累積疲勞壽命耗用系數，該系數小于1，則是可行的。然后再用傳統的疲勞分析理論與之比較，通過海線圖把個節點將應力幅值表示出來，以此來判斷橫梁的疲勞壽命。

2.1 液壓機橫梁的一般參數

橫梁的材料為鑄鋼，牌號為ZG270-50，其特性系數及力學性能如下：屈服極限270MPa，強度極限500MPa，對稱循環極限180MP，最大工作壓力為21000kN，每根拉桿的預緊力為5.5MN。

由圖1可知，橫梁是一個結構對稱的零件，因此，可取其四分之一進行有限元分析。這樣既可以增加計算單元的數目，提高計算精度，同時又不至使計算量過大。網格劃分時，我們選取四面體單元，并采用單元自動劃分方法，并在內孔和R40圓弧部位進行單元細劃（3），如圖2所示，分析模型的節點數為33671，單元數為15486。

2.2 分析計算

有限元疲勞分析應在取得強度分析應力分布的基礎上，再以材料的疲勞特性為依據進行疲勞計算（4）。下面首先對陶瓷液壓機的上梁進行強度分析，并在此基礎上對壓機的整體疲勞壽命進行分析計算。

表1 各個循環次數下的應力極限Tab.1 Ultimate stress for differentnumber of cycles

表2 采樣點的主應力和應力幅Tab.2 Principalstress and stress am plitude of each sam pled point

2.2.1 強度分析

強度分析結果及最大應拉、壓力（MX）所在位置如圖3、4所示，最大的von-mises發生在橫梁上壓螺母處，應力值為178.665MPa，但此處為壓應力，小于許用應力，最大拉應力發生在R40圓弧部位，其Vonmises應力值約為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，ap=26·9080，bp=8·4102），可以計算出各個循環次數下的應力極限，如表1所示。把表1中的數據輸入到ANSYS進行疲勞計算，累積疲勞壽命耗用系數為0.6865，小于1，說明該上梁不會發生疲勞破壞。

（2）傳統疲勞計算

各種實踐證明，通過ansys對陶瓷液壓機機進行靜力分析、接觸分析和動力學分析的結果，與實際物理樣機的實驗結果具有高度的一致性。因此，可從ANSYS靜力分析結果中，導出一些特殊點的應力值（見表2），用于計算出應力幅，進而作出海（haigh）線圖，由此來判斷液壓機的上橫梁是會出現疲勞失效。

根據節點的主應力和應力幅，建立圖5所示海線圖，其中陰影部分為采樣點所處位置，由圖可見這些均在LMK折線下，表示采樣點處的疲勞裂紋不會發生擴展，故采樣點處不會發生疲勞破壞。可見：利用有限元疲勞分析得出的結果，與傳統海線圖所得的疲勞分析結果是相符合的，這說明陶瓷液壓機壓機上橫梁結構有限元疲勞分析的可靠性和準確性。

3 結論

由強度分析可知，該上梁結構所受的最大應力（95MPa）遠小于其材料的屈服極限和強度極限，上梁在實際工作過程中不會發生靜力破壞。由疲勞分析可知，累積疲勞壽命耗用系數為0.6865，故陶瓷液壓機上梁結構最大應力發生位置處不會發生疲勞破壞，在結構優化、節省材料成本方面仍有空間。

1張柏清等.全自動液壓壓磚機.南昌：江西科學技術出版社，2002

2ANSYS，Inc.Basic AnalysisProceduresGuide.Release5.7.2003

3黃志誠，胡偉文.全自動液壓壓磚機上橫梁有限元分析.機械設計與制造，2007，9

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