18CrNiMo7-6低碳合金鋼疲勞壽命分析*

□ 李道軍 □ 李廷鋒 □ 劉德平

1.鄭州職業技術學院 鄭州 450121 2.鄭州大學 機械與動力工程學院 鄭州 450001

1 分析背景

機械設備在工作條件下,各工件的應力狀態隨時間產生規律性的周期變化,在這種規律性周期變化中存在的應力稱為交變應力。在交變應力作用下,雖然工件所受到的應力水平低于材料的屈服強度,但是工件經過長時間的應力往復后,會突然發生斷裂,這一現象稱為疲勞破壞。隨著現代機械的高速化和大型化發展,許多零部件在高溫、高壓、重載、腐蝕等惡劣環境下工作,疲勞破壞現象屢見不鮮。因此,研究工件的疲勞壽命,推廣疲勞與可靠性設計,對提高機械產品的可靠性,延長使用壽命,有十分重要的意義[1]。

影響工件疲勞壽命的因素有很多,包括應力集中、工件尺寸、工件表面狀態、環境介質、載荷加載順序和頻率等。應力集中是一種應力在工件內部局部區域內增大的現象。在應力集中區域,峰值應力與工件的整體結構和外力施加的方法等因素有關,局部增大的應力值隨應力點間距的增大而迅速減小[2]。由于峰值應力往往超過材料的屈服極限而造成工件內應力的再分布,因此工件所承受的真實應力常小于理論計算得到的應力值。工件中存在應力集中時,結構疲勞強度降低,承受往復載荷時容易產生疲勞破壞,這是影響工件疲勞強度或疲勞壽命的主要因素之一。工件應力集中的程度通常用理論應力集中因數Kt來度量[3],理論應力集中因數為材料彈性范圍內最大局部應力與名義應力的比值。

筆者研究對象為18CrNiMo7-6低碳合金鋼,經滲碳淬火等熱處理工藝處理后,材料表面硬度高且耐磨性好,低溫沖擊韌性較高。這一材料被廣泛應用于高速重載齒輪等領域[4]。18CrNiMo7-6低碳合金鋼在重工業領域使用廣泛,對這一材料進行疲勞分析尤為重要。但是,由于材料自身屬性和疲勞試驗的特殊性,對這一材料進行各種類型的疲勞試驗會耗費大量資源。近年來,隨著計算機仿真技術的不斷發展,通過計算機對疲勞試驗進行仿真成為了可能。Fe-safe軟件是用于高級疲勞耐久性分析的軟件,算法先進,功能全面,支持彈性、塑性、單軸、多軸應力和局部應變全面疲勞算法,同時支持各種載荷輸入文件格式,能夠與多種計算機輔助工程軟件進行對接,并能夠對載荷信號進行分析處理,生成豐富、直觀的疲勞計算結果。因此,Fe-safe軟件廣泛應用于飛機發動機、汽車、火車、石化設備、核電站,以及通用機械等領域。

在研究中,筆者通過SolidWorks三維建模軟件建立18CrNiMo7-6低碳合金鋼材料標準試樣及缺口試樣三維幾何模型,使用ABAQUS有限元分析軟件對試樣進行靜力學分析,再將得到的應力結果導入Fe-safe疲勞分析軟件,計算不同試樣的疲勞壽命,得到各試樣的疲勞壽命云圖。通過ABAQUS軟件和Fe-safe軟件的聯合仿真分析,可以方便快捷地計算各種材料在不同載荷條件下的疲勞壽命,節省大量資源,對工件疲勞壽命計算的工業應用有參考價值。

2 分析流程

筆者以18CrNiMo7-6低碳合金鋼試樣為研究對象,應用疲勞分析方法中的名義應力法對試樣進行疲勞壽命計算。名義應力法基于材料或工件的應力壽命曲線,對照試樣或結構疲勞危險部位的應力集中因數和名義應力,結合疲勞損傷累積理論,校核疲勞強度或計算疲勞壽命[5]。采用SolidWorks、ABAQUS、Fe-safe軟件對18CrNiMo7-6低碳合金鋼試樣進行聯合分析,疲勞分析流程如圖1所示[6-7]。

首先,使用SolidWorks軟件建立標準試樣和缺口試樣的三維幾何模型。然后,將建立好的三維模型導入ABAQUS軟件進行靜強度分析,得到試樣的應力應變結果。最后,將生成的.odb格式結果文件導入Fe-safe軟件,結合載荷譜和材料參數對試樣進行疲勞壽命仿真計算,將計算得到的結果導入ABAQUS軟件進行后處理。

▲圖1 疲勞分析流程

3 有限元分析

3.1 幾何建模

根據GB/T 3075—2008《金屬材料 疲勞試驗 軸向力控制方法》標準要求[8],軸向疲勞試驗光滑圓形試樣如圖2所示,缺口試樣建立V形和弧形兩種[9],分別如圖3、圖4所示。將在SolidWorks軟件中建立的三維幾何模型導入ABAQUS軟件,進行靜力學分析。

▲圖2 軸向疲勞試驗光滑圓形試樣▲圖3 軸向疲勞試驗V形缺口試樣局部視圖▲圖4 軸向疲勞試驗弧形缺口試樣局部視圖

3.2 材料屬性定義

試樣材料為18CrNiMo7-6低碳合金鋼,化學成分見表1,屈服強度為1 016 MPa,抗拉強度為1 200 MPa,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3。

在ABAQUS軟件的Property模塊中創建材料及定義屬性,并將創建好的截面屬性賦予各試樣。

3.3 邊界條件施加和載荷定義

疲勞試驗過程中,試樣下端固定,上端進行拉伸,因此試樣左端施加固定約束,右端施加恒定載荷,試樣邊界條件和載荷如圖5所示。試驗段面積為176.7 cm2,極限拉伸作用力為180 kN,施加的載荷P設為100 kN。

表1 18CrNiMo7-6低碳合金鋼材料化學成分

▲圖5 試樣邊界條件和載荷

3.4 網格劃分

結合各試樣的尺寸與受載狀態,為了獲得較高的計算精度,采用八節點六面體單元C3D8R結構化網格對模型進行網格劃分[10],試驗段采用較密的均勻網格劃分。光滑試樣全局網格尺寸為2 μm,局部加密尺寸為1 μm,網格劃分后的單元數為32 130。V形和弧形缺口試樣全局網格尺寸為2 μm,缺口試驗段加密尺寸為0.8 μm,網格劃分后的單元數分別為54 864和52 398。各試樣網格模型如圖6所示。

▲圖6 試樣網格模型

3.5 分析結果

將上述各模型分別導入ABAQUS軟件進行靜強度分析,在后處理模塊中可以得到各試樣靜力學等效應力云圖,如圖7所示。

通過等效應力云圖,可以得到試樣靜力學分析結果。各試樣的最大應力均位于試驗段中部,光滑試樣最大應力值為574.5 MPa,V形缺口試樣最大應力值為1 876 MPa,弧形缺口試樣最大應力值為1 658 MPa。

▲圖7 試樣靜力學等效應力云圖

當試樣拉伸時,夾持端的應力小,且施加固定約束端的應力值最小。試樣應力值最大部位即為危險部位,最容易發生疲勞破壞。

4 疲勞壽命分析

4.1 前處理

Fe-safe軟件全壽命分析需要在有限元分析的基礎上定義材料參數、載荷信息、表面質量參數等。通過Fe-safe軟件數據庫中含有的Seeger材料近似算法,在材料屬性中輸入材料的抗拉強度和彈性模量,即可生成材料的應力壽命曲線,如圖8所示。采用正弦波形載荷譜進行加載,頻率為100 Hz,如圖9所示。通過Fe-safe軟件的材料數據庫及管理系統設置好表面粗糙度等相關參數后,進行疲勞壽命計算。

4.2 分析結果

將通過Fe-safe軟件計算得到的.odb格式結果文件導入ABAQUS軟件進行后處理,得到各試樣疲勞壽命云圖,如圖10所示。各試樣應力及疲勞壽命計算結果見表2。

▲圖8 18CrNiMo7-6低碳合金鋼應力壽命曲線▲圖9 正弦波形載荷譜

▲圖10 試樣疲勞壽命云圖

由圖10可知,光滑試樣和弧形缺口試樣兩端的壽命最大應力循環次數為107;壽命最短處位于試驗段中部,說明此處最易發生疲勞破壞。

表2 試樣應力與疲勞壽命計算結果

5 結束語

筆者采用有限元方法對18CrNiMo7-6低碳合金鋼各類型試樣進行了靜力學仿真分析,并基于疲勞累積損傷理論,通過ABAQUS和Fe-safe軟件聯合仿真對各試樣進行了疲勞壽命計算,得到了各試樣的疲勞壽命云圖。結果表明,應力集中對疲勞壽命有較大影響,應力集中現象最顯著的試樣,疲勞壽命相對最短,最容易發生疲勞破壞。

V形缺口試樣由于應力集中現象,自身疲勞壽命遠低于光滑試樣和弧形缺口試樣。因此,在加工制造中要避免應力集中現象,以保證工件的使用壽命。

對18CrNiMo7-6低碳合金鋼各試樣進行有限元分析和疲勞壽命分析,可以對工件疲勞壽命進行預測和制造評估,為生產實踐提供參考。