沖擊載荷作用下的DN80型燃?xì)怆姶砰y動態(tài)可靠性分析＊

張克軍 ， 劉建飛 ， 李明昊

（1.遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院黃海汽車工程學(xué)院，遼寧 丹東 118009；2.沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

燃?xì)怆姶砰y對燃?xì)庀到y(tǒng)的影響至關(guān)重要，其可靠性直接關(guān)系著燃?xì)庀到y(tǒng)的可靠性，如果其動態(tài)可靠性不足，對燃?xì)庀到y(tǒng)安全性是重大的安全隱患，因此對其進(jìn)行動態(tài)可靠性分析是必要的。章炳法等對汽車發(fā)動機(jī)的燃?xì)怆姶砰y進(jìn)行設(shè)計，并采用可調(diào)和緩沖結(jié)構(gòu)，保證了使用精度，延長了使用壽命，提高了可靠性[1]。陳雪勇等對燃?xì)怆姶砰y的關(guān)鍵零件芯軸進(jìn)行了可靠性分析，提出了改進(jìn)措施，提高了可靠性[2-3]。龍智睿等對ESD閥進(jìn)行了可靠性分析并優(yōu)化，使其反應(yīng)更加快速靈敏，提高了系統(tǒng)的可靠性[4]。基于文獻(xiàn)調(diào)研可知，燃?xì)怆姶砰y的動態(tài)可靠性分析鮮有報道，本文對沖擊載荷作用下的DN80型燃?xì)怆姶砰y進(jìn)行分析，建立燃?xì)怆姶砰y的三維模型，結(jié)合動態(tài)可靠性分析理論，得到其動態(tài)可靠度。

1 理論背景

1.1 數(shù)理統(tǒng)計基礎(chǔ)

在機(jī)械工程領(lǐng)域的可靠性分析中，數(shù)理統(tǒng)計是必要的環(huán)節(jié)，選取合適的數(shù)理統(tǒng)計方法可以得到更加接近實(shí)際的分析結(jié)果。數(shù)理統(tǒng)計方法一般有二項(xiàng)分布、泊松分布、正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布和威布爾分布、指數(shù)分布等，在動態(tài)可靠性分析中常用正態(tài)分布進(jìn)行統(tǒng)計，如果對疲勞壽命可靠性進(jìn)行分析，可以選用對數(shù)正態(tài)分布和威布爾分布，而指數(shù)分析常用于電子元器件的可靠性分析中。本文依據(jù)分析對象和分析目標(biāo)，選取正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為：

需要注意的是，隨著科技和能力的提升，正態(tài)分布的均值和方差均有所降低，但是依然是符合正態(tài)分布的。

1.2 有限元法理論

利用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時首先將結(jié)構(gòu)離散化，再選擇恰當(dāng)?shù)奈灰坪瘮?shù)模擬結(jié)構(gòu)的位移分布，形成有限單元的剛度矩陣K(e)和單元節(jié)點(diǎn)的等效載荷矩陣，最后形成總體剛度矩陣，然后對有限元基本方程K·d=f進(jìn)行解算即可得到單元上各節(jié)點(diǎn)的位移。單元載荷矩陣中的面載荷在電磁閥分析中較為常用，位于邊界上的某一單元，面上存在均布的面力時，單元面力載荷矩陣可表示為：

2 沖擊載荷作用下燃?xì)怆姶砰y有限元分析

2.1 燃?xì)怆姶砰y有限元模型的建立

三維建模軟件種類繁多，較常用的有PRO/E、UG和SOLIDWORKS，本文選取UG進(jìn)行建模，然后選取實(shí)體模型，另存為x-t格式。利用WORKBENCH的幾何處理模塊進(jìn)行導(dǎo)入，對其進(jìn)行設(shè)定單元類型，網(wǎng)格單元類型的選定，網(wǎng)格劃分。因?yàn)锳NSYS WORKBENCH的建模能力較弱，對于以下曲面模型的建立操作較為復(fù)雜，所以選取UG建模，為x-t格式無損導(dǎo)入的方式建立電磁閥的三維模型，可以提高分析的準(zhǔn)確性[5]，DN80電磁閥的有限元模型如圖1所示。

圖1 DN80電磁閥有限元模型

2.2 沖擊載荷作用下燃?xì)怆姶砰y有限元分析

在進(jìn)行有限元分析之前，需要設(shè)定燃?xì)怆姶砰y的約束，燃?xì)怆姶砰y的約束是決定可靠性分析結(jié)果重要的影響部分，法蘭是連接電磁閥的重要環(huán)節(jié)，所以在燃?xì)怆姶砰y的法蘭連接處設(shè)定固定約束（FIXED），燃?xì)怆姶砰y的內(nèi)表面加載動態(tài)分析載荷。動態(tài)分析載荷采用正態(tài)分布的形式，均值為0.6MPa，變差系數(shù)取0.05，加載到電磁閥的內(nèi)表面，并對其進(jìn)行求解，得到等效應(yīng)力和變形云圖和最大值位置分別如圖2、圖3所示。

圖2 電磁閥等效應(yīng)力云圖

圖3 電磁閥變形云圖

由圖2、圖3可知，基于沖擊載荷的燃?xì)怆姶砰y最大等效應(yīng)力為67.877MPa，安全系數(shù)為3.02，燃?xì)怆姶砰y變形最大值為0.216 63mm。

3 基于正態(tài)分布的DN80型燃?xì)怆姶砰y動態(tài)可靠性分析

動態(tài)可靠性分析是基于動態(tài)載荷的分析，一般的可靠性分析難以表達(dá)動態(tài)沖擊載荷作用下的規(guī)律，隨著載荷多次反復(fù)作用和環(huán)境因素的影響，機(jī)械零部件的強(qiáng)度是隨著服役時間的增加而延長，其性能參數(shù)呈退化趨勢，如果性能參數(shù)退化到一定程度，機(jī)械零部件不能滿足工作條件的需要，發(fā)生失效，所以在一般可靠性分析結(jié)果之上需要進(jìn)一步進(jìn)行動態(tài)可靠性分析。剩余強(qiáng)度是機(jī)械零部件動態(tài)可靠性分析關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其定義為機(jī)械零部件經(jīng)過載荷的n次作用[6]，其承受載荷的能力的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：S(n)為剩余強(qiáng)度，S0為初始強(qiáng)度，n為載荷作用次數(shù)，N為疲勞壽命。

基于動態(tài)可靠性分析結(jié)果，得到燃?xì)怆姶砰y動態(tài)可靠性規(guī)律曲線如圖4所示。由圖4可知，燃?xì)怆姶砰y的可靠度由0.961 6開始呈下降趨勢。

圖4 燃?xì)怆姶砰y動態(tài)可靠性規(guī)律曲線

4 結(jié)論

基于動態(tài)可靠性分析理論，結(jié)合有限元軟件ANSYS WORKBENCH對DN80燃?xì)怆姶砰y進(jìn)行動態(tài)可靠性分析，得到了燃?xì)怆姶砰y等效應(yīng)力和變形云圖，結(jié)論如下：

1)對燃?xì)怆姶砰y進(jìn)行建模和有限元分析可知，燃?xì)怆姶砰y最大等效應(yīng)力為67.877MPa，安全系數(shù)為3.02；燃?xì)怆姶砰y變形最大值為0.216 63mm。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本符合設(shè)計要求。

2)基于動態(tài)可靠性分析結(jié)果，得到燃?xì)怆姶砰y的動態(tài)可靠性規(guī)律曲線，燃?xì)怆姶砰y的可靠度由0.961 6開始呈下降趨勢，為燃?xì)怆姶砰y的設(shè)計提供了明確的數(shù)據(jù)支撐。