壓機(jī)失效零件疲勞壽命的多因素仿真試驗(yàn)方法研究

□ 蔣振輝 □ 單 俊 □ 許黎明 □ 范 灝 □ 胡德金

1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院 上海 200030

2.上海第三機(jī)床廠 上海 201600

產(chǎn)品的疲勞壽命是產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。目前產(chǎn)品的疲勞壽命分析主要包括兩個(gè)方法，即傳統(tǒng)的實(shí)物樣機(jī)實(shí)驗(yàn)法和基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的疲勞分析法［1］。傳統(tǒng)的疲勞分析主要通過實(shí)物樣品的疲勞試驗(yàn)來評估和預(yù)測其疲勞性能，這種方法成本高、周期長，需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力。基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的疲勞分析方法發(fā)展迅速，通過疲勞分析軟件，設(shè)計(jì)人員可以在設(shè)計(jì)階段模擬分析產(chǎn)品在設(shè)定工況下的疲勞壽命，找出薄弱環(huán)節(jié)并對之進(jìn)行改進(jìn)［2-3］。這種方法可以大大降低設(shè)計(jì)成本、縮短研發(fā)周期、提高產(chǎn)品可靠性。筆者以自主開發(fā)的某新型汽車控制臂前襯套壓機(jī)關(guān)鍵零件為對象，研究一種零件疲勞壽命的多因素仿真試驗(yàn)方法。首先對失效零件作靜力學(xué)分析，確定其失效原因，然后研究可能影響零件疲勞壽命的各個(gè)因素多水平條件下對疲勞壽命的影響規(guī)律，最后給出相應(yīng)的提高零件疲勞壽命的改進(jìn)方法。

1 失效零件建模和強(qiáng)度分析

壓機(jī)關(guān)鍵零件U型塊的工作情況如圖1所示，該零件通過螺紋連接安裝在連接板上，它是壓機(jī)的一個(gè)重要受力件。壓機(jī)將襯套壓入控制臂時(shí)，U型塊前端面上的墊片抵住控制臂前襯套套筒，壓裝力由前端面承受；對襯套進(jìn)行回拉整形及將襯套反壓出控制臂套筒時(shí)，U型塊后端面上的墊片支承控制臂套筒，此時(shí)由后端面承壓。在樣機(jī)投入批量試壓后期，發(fā)生了U型塊后端面斷裂失效情況。

利用三維軟件UG建立零件的三維模型，選取ANSYS Workbench作為軟件仿真平臺。三維模型由U型塊和后端面墊片組成，它們之間通過螺栓連接。零件材料是40Cr，材料屬性見表1。

表1 U型塊材料參數(shù)

通過對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對U型塊后端面拐角處網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化，使求解結(jié)果更加精確。根據(jù)壓機(jī)實(shí)際工作情況，后端面承受整形力或反壓力，其中反壓力約為10 kN，整形力約為5 kN左右，設(shè)計(jì)中考慮安全因子，取反壓力大小為15 kN，加載在墊片下端。對U型塊的約束則是其上部4個(gè)螺栓孔固定，U型塊的應(yīng)力分布云圖如圖2所示，分析可見，最大應(yīng)力出現(xiàn)在后端面拐角處為795 MPa，仍在40Cr的強(qiáng)度極限內(nèi)。但在實(shí)際工作過程中，后端面拐角處卻發(fā)生了斷裂失效情況，故可認(rèn)為是疲勞失效。

▲圖1 零件工作示意圖

▲圖2 零件應(yīng)力云圖

在不改變材料的情況下，分析影響零件疲勞壽命的主要因素有：載荷力、零件后端面厚度、后端面安裝孔位置、后端面拐角，其中拐角處圓角大小影響應(yīng)力集中程度，從而影響零件疲勞強(qiáng)度。

2 疲勞壽命仿真結(jié)果

根據(jù)對失效零件疲勞強(qiáng)度影響因素的分析，通過仿真軟件模擬多因素對零件疲勞強(qiáng)度的影響規(guī)律。材料是 40Cr，其疲勞壽命曲線的 Basquin 方程［4］為

表2 疲勞分析部分參數(shù)設(shè)置

表3 仿真試驗(yàn)因素水平表

式中：Nf為載荷加載次數(shù)；σa為相應(yīng)的疲勞強(qiáng)度，MPa。

Nf取一系列離散值得到的離散點(diǎn)作為疲勞壽命仿真的重要條件。疲勞分析的其它參數(shù)設(shè)置見表2，其中疲勞強(qiáng)度因子，主要是考慮實(shí)際工件與測得壽命曲線的試件工況差異而選取的材料疲勞性能的降低系數(shù)；載荷類型則是根據(jù)工件實(shí)際“加載-卸載-加載”的受力情況而選取的。疲勞分析時(shí)的網(wǎng)格劃分、載荷加載部位及約束條件同上文的強(qiáng)度分析。仿真試驗(yàn)的因素水平選取見表3。

2.1 載荷對疲勞壽命的影響

在后端面厚度13 mm、后端面螺紋孔距頂面7 mm、圓角半徑2 mm的情況下，改變零件上載荷大小，零件壽命云圖如圖3所示，其中圖3（a）～（d）分別對應(yīng)載荷 11 kN、13 kN、15 kN 和 17 kN。

零件疲勞壽命隨后端面載荷大小的變化趨勢如圖4所示，可見，零件的疲勞壽命隨其后端面上載荷的增大近似成二次方關(guān)系減小。因此，載荷是影響疲勞壽命的重要因素。

2.2 端面厚度對疲勞壽命的影響

在載荷15 kN、后端面螺紋孔距頂面7 mm、圓角半徑2 mm的情況下，對后端面的厚度進(jìn)行4個(gè)水平試驗(yàn)，其疲勞壽命隨后端面厚度的變化趨勢如圖5所示，可見，零件的疲勞壽命隨后端面厚度的增加近似二次方關(guān)系增加。

2.3 后端面螺紋孔距離對疲勞壽命的影響

在載荷15 kN、后端面厚度15 mm、圓角半徑2 mm的情況下，改變后端面螺紋孔離頂面距離，取7 mm、8 mm和9 mm 3個(gè)水平，零件疲勞壽命隨后端面上螺紋孔位置的變化趨勢如圖6所示，當(dāng)螺紋孔距離增加時(shí)，其疲勞壽命近似線性增加。可見，螺紋孔對后端面拐角的強(qiáng)度有削弱作用，從而影響到零件的疲勞壽命。

2.4 后端面圓角半徑對疲勞壽命的影響

在載荷15 kN、后端面厚度15 mm、后端面螺紋孔距離頂面9 mm的條件下，后端面圓角半徑分別取1 mm、2 mm、3 mm、4 mm 4個(gè)水平，仿真結(jié)果顯示的零件疲勞壽命隨圓角半徑的變化趨勢如圖7所示，結(jié)果表明，當(dāng)圓角半徑增大時(shí)，其疲勞壽命近似線性增加。可見，圓角的大小會影響該處應(yīng)力集中的程度，從而影響零件的疲勞壽命。

▲圖3 不同載荷下的零件壽命云圖

▲圖5 不同后端面厚度下零件疲勞壽命

▲圖4 不同載荷下零件疲勞壽命

▲圖6 螺紋孔不同位置對應(yīng)的零件疲勞壽命

▲圖7 不同圓角大小對應(yīng)的零件疲勞壽命

根據(jù)以上仿真結(jié)果分析，最終將零件后端面厚度由13 mm增加到15 mm，達(dá)到設(shè)備結(jié)構(gòu)所能接受的上限；將后端面安裝孔位置設(shè)為9 mm，后端面圓角增大到4 mm，同時(shí)，適當(dāng)降低壓機(jī)反壓時(shí)的速度，以減小反壓時(shí)的沖擊。通過改進(jìn)措施，再對零件的疲勞壽命進(jìn)行分析，得到零件最容易失效的后端面拐角處疲勞壽命為2.98×106次，滿足了設(shè)計(jì)、工藝要求。改進(jìn)后的零件已在生產(chǎn)中滿負(fù)荷正常工作超過一年。

3 結(jié)論

筆者針對襯套壓機(jī)失效零件的疲勞壽命進(jìn)行了基于多個(gè)影響因素的仿真分析，結(jié)果表明，通過對零件疲勞壽命的單因素多水平的仿真試驗(yàn)，可以揭示不同因素對零件疲勞壽命的影響規(guī)律，預(yù)測零件在給定工藝和結(jié)構(gòu)條件下的疲勞壽命，大大降低了設(shè)計(jì)和試驗(yàn)成本，仿真結(jié)果通過了試驗(yàn)驗(yàn)證。筆者提出的多因素的疲勞壽命仿真試驗(yàn)方法對其它設(shè)備中關(guān)鍵零件的疲勞壽命的分析和預(yù)測具有很好的參考價(jià)值。

［1］阮曉亮，李彥生，何強(qiáng).基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的微型客車白車身疲勞壽命分析 ［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012 （6）：196-198.

［2］李先鋒，楊建偉，賈志絢.基于Workbench車輛減振器彈簧盤的疲勞分析［J］.北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（2）：50-55.

［3］王碧石，孫黎，王春秀.風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱扭力軸的疲勞分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（9）：155-157.

［4］王弘，高慶.超聲疲勞試驗(yàn)方法在40Cr鋼疲勞性能研究中的應(yīng)用［J］.機(jī)械工程材料，2003（12）：29-31.