基于應力—強度干涉理論的燃氣電磁閥疲勞可靠性分析*

張克軍，劉建飛

(遼寧機電職業技術學院黃海汽車工程學院，遼寧 丹東 118009)

關健詞：燃氣電磁閥；有限元法；正態分布；疲勞可靠性

0 引言

燃氣電磁閥作為燃氣管路系統的關鍵零件，其疲勞可靠性的分析至關重要，若燃氣電磁閥發生失效，直接影響燃氣管路系統的安全性。陳雪勇對燃氣電磁閥的芯軸進行了仿真分析，并提出了改進策略[1-2]；王小江通過對ESD閥的工作機構可靠性進行分析，提出了提高ESD閥可靠性的措施[3]；劉文提出了一種耦合仿真建模方法，在動態載荷的基礎上對燃氣供給系統進行了仿真分析[4]。基于文獻現有進展可知，燃氣電磁閥的可靠性分析較少，多以理論計算為主。本文以燃氣電磁閥作為研究對象，建立電磁閥有限元模型，結合應力—強度干涉理論，對電磁閥疲勞可靠性進行了分析。

1 理論背景

1.1 數理統計基礎及疲勞累積損傷理論

機械可靠性設計中常用的數理統計方法有二項分布、泊松分布、正態分布、對數正態分布和威布爾分布、指數分布等多種函數。在疲勞可靠性分析中，正態分布是最常用的分布形式，很多自然現象或者科學問題都可以用正態分布來表示。正態分布的概率密度函數為：

疲勞壽命預測方法主要有實驗統計法和疲勞軟件計算法，實驗統計法需要產品設計完成投入生產后彩客進行，并且對于復雜結構的箱體類的疲勞壽命研究存在較大困難，實驗周期長。隨著虛擬樣機技術的發展，軟件計算法在近幾年應用越來越廣泛，在剛柔耦合虛擬樣機中可以簡單的提取載荷譜進行疲勞壽命分析，并結合具有指定存活率的P-S-N疲勞壽命曲線進行疲勞壽命分析，不僅縮短了生產周期，在保證了疲勞壽命的同時，還可以優化結構，提高使用率，增加了企業的市場競爭力。線性疲勞累積損傷理論由Palmgram提出，Miner優化而最后形成的Miner判斷法則，Miner判斷法則認為零部件每次所受的疲勞損傷時獨立的，其疲勞累積損傷值是各個階段的損傷值累積的結果，當累積損傷值達到極限值時，零部件就會發生疲勞失效。零部件破壞前的總循環數為N，在某一循環數n1、n2……nn，損傷值：

當式D累積等于1時，零件失效。

1.2 疲勞壽命可靠性理論

假設應力和強度服從正態分布，可靠度為：

式中：μS為強度的均值；μs為應力的均值；零件σS為強度的標準差；σs為應力的標準差。

式中：δ-1N為材料屈服強度；ε為尺寸系數；β1為表面加工系數；β2為表面強化系數；K為有效應力集中系數[5]。

2 燃氣電磁閥有限元分析

2.1 電磁閥有限元網格劃分

本文選取UG建立電磁閥的三維模型，另存為x-t格式后，導入到AnsysWorkbench的幾何模塊中[6]，建立電磁閥有限元模型，這是因為AnsysWorkbench雖然分析功能強大，但是其建模能力較弱，這樣可以通過通用格式的方式實現三維模型的無損導入，為有限元模型的建立提供了完整的模型，有利于得到更精確的結果，如圖1所示。

圖1 電磁閥有限元模型

2.2 電磁閥有限元分析結果

電磁閥的約束是決定有限元分析結果的關鍵步驟，電磁閥通過螺栓與其他零件相連接，所以在螺栓處設置約束，在電磁閥的內表面設置壓力（pressure），大小為0.6MPa，并對其進行求解，得到等效應力、等效應變和變形云圖和最大值位置分別如圖2～圖4所示。

圖2 電磁閥等效應力云圖

圖3 電磁閥等效應變云圖

圖4 電磁閥變形云圖

由圖2～圖4可知，電磁閥最大等效應力為65.797MPa，小于其屈服強度，205MPa；電磁閥最大等效應變為0.000 330 08mm；電磁閥變形最大值為0.110 92mm。

3 基于正態分布的燃氣電磁閥疲勞可靠性分析

假設燃氣電磁閥應力和強度符合正態分布，式4中δ-1N為電磁閥材料屈服強度，205MPa；選取ε為0.7；由電磁閥應力狀態和加工方式選取β1為0.377；強化工藝為淬火，選取β2為1.4；選取K為1.5。基于應力—強度干涉理論，對概率密度函數進行干涉分析，如圖5所示。得到電磁閥疲勞壽命可靠度R=0.95。

圖5 電池閥概率密度函數直方圖

4 結論

利用有限元軟件AnsysWorkbench對燃氣電池閥進行有限元分析，得到了其等效應力、等效應變和變形云圖，并對其疲勞壽命可靠性分析，結論如下:

1)基于燃氣電磁閥的有限元分析結果，發現了電磁閥的薄弱位置，其等效應力、等效應變和變形分別為65.797MPa、0.000 330 08mm、0.110 92mm，結構強度符合設計要求。

2)基于應力—強度干涉理論，對電磁閥進行疲勞可靠性分析，得到了電磁閥的疲勞可靠度為0.95，分析結果表明電磁閥滿足可靠性設計要求。