ANSYS挖掘機連桿螺栓的疲勞壽命分析(一)

2013-07-17 by:廣州有限元培訓實踐中心來源:仿真在線

0 引言

連桿螺栓是發(fā)動機乃至整個挖掘機中最重要、強度要求最高的螺栓之一,由于工作環(huán)境惡劣,承受交變載荷的作用,一直處于疲勞應力狀態(tài)。由于其尺寸受到限制,若設(shè)計或加工處理不好,極易產(chǎn)生嚴重的應力集中,導致出現(xiàn)疲勞裂紋乃至斷裂。因此.除一般的機械性能要求外,還對其抗疲勞性能有較高的要求。事實上,在對SOFIM連桿螺栓進行疲勞試驗時,僅循環(huán)近1×106次就出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象,而其疲勞壽命要求的循環(huán)次數(shù)為5x106次。本文針對該連桿螺栓出現(xiàn)的早期疲勞斷裂問題,利用有限元分析軟件ANSYS進行疲勞分析,并在此基礎(chǔ)上提出改進方法。

1 疲勞強度試驗方法

試驗按《螺紋緊固件軸向載荷疲勞試驗方法》(GB/T13682--92)在PLG一200B高頻拉壓疲勞試驗機上進行。試件為連桿螺栓實物。試驗的平均載荷為11.55 kN,交變載荷是幅值為9.45 kN、頻率為200 Hz的正弦波。當試件達到破壞極限或試驗循環(huán)次數(shù)達到要求的5×106次時停止試驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 疲勞試驗

12.9級連桿螺栓的疲勞試驗結(jié)果如表1所示。由表1可見。在20個試件中,僅有2個合格,其余的18個斷裂部位均發(fā)生在連桿螺栓桿部與頭部的過渡圓弧處。

連桿螺栓的滾絲工藝是在熱處理工藝之后進行的,在螺紋處容易形成壓應力。使螺紋得到強化,提高了螺紋處的疲勞壽命。但其頸部形狀復雜,由三段圓弧組成,如圖1所示.三段圓弧的半徑各不相同,圓弧的過渡連接處理在實際生產(chǎn)中很難完全達到圖紙的要求。有可能導致在連桿螺栓桿部與頭部的過渡圓弧處出現(xiàn)應力集中,使抗疲勞性能下降。

2.2 疲勞壽命

2.2.1 有限元模型的建立

利用ANSYS軟件對連桿螺栓在承受最大載荷、平均載荷和最小載荷時各點的應力分布情況進行分析。

考慮到高強度螺栓的滾絲工藝是在熱處理工藝之后完成的,使得螺紋處得以強化,且疲勞試驗的結(jié)果也表明早期疲勞斷裂的確發(fā)生在桿部與頭部的過渡圓弧處,故可完全忽略螺紋的影響。為了更好地模擬螺栓的實際工作情況,在螺栓上裝配了螺母,并忽略螺紋的影響,將螺栓和螺母視為一個整體建立幾何模型。

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