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(dòng)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(guò)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(guò)實(shí)物樣品的疲勞試驗(yàn)來(lái)評(píng)估和預(yù)測(cè)其疲勞性能，這種方法成本高、周期長(zhǎng)，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(guò)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(duì)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(kāi)發(fā)的某新型汽車(chē)控制臂前襯套壓機(jī)關(guān)鍵零件為對(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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(tái)。三維模型由U型塊和后端面墊片組成，它們之間通過(guò)螺栓連接。零件材料是40Cr，材料屬性見(jiàn)表1。

表1 U型塊材料參數(shù)

通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)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(duì)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(jiàn)，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(guò)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(duì)失效零件疲勞強(qiáng)度影響因素的分析，通過(guò)仿真軟件模擬多因素對(duì)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(jiàn)表2，其中疲勞強(qiáng)度因子，主要是考慮實(shí)際工件與測(cè)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(jiàn)表3。

2.1 載荷對(duì)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(duì)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(shì)如圖4所示，可見(jiàn)，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(duì)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(duì)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(shì)如圖5所示，可見(jiàn)，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(duì)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(shì)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(jiàn)，螺紋孔對(duì)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(duì)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(shì)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(jiàn)，圓角的大小會(huì)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(duì)應(yīng)的零件疲勞壽命

▲圖7 不同圓角大小對(duì)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(guò)改進(jìn)措施，再對(duì)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(guò)一年。

3 結(jié)論

筆者針對(duì)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(guò)對(duì)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(duì)零件疲勞壽命的影響規(guī)律，預(yù)測(cè)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(guò)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(duì)其它設(shè)備中關(guān)鍵零件的疲勞壽命的分析和預(yù)測(cè)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(chē)白車(chē)身疲勞壽命分析 ［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012 （6）：196-198.

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