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,由于工作環境惡劣,承受交變載荷的作用,一直處于疲勞應力狀態。由于其尺寸受到限制,若設計或加工處理不好,極易產生嚴重的應力集中,導致出現疲勞裂紋乃至斷裂。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,僅循環近1×106次就出現斷裂的現象,而其疲勞壽命要求的循環次數為5x106次。本文針對該連桿螺栓出現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次數達到要求的5×106次時停止試驗。

2 結果與分析

2.1 疲勞試驗

12.9級連桿螺栓的疲勞試驗結果如表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,且疲勞試驗的結果也表明早期疲勞斷裂的確發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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