有限元技术在单向阀失效原因分析中的应用

1、有限元技术在单向阀失效原因分析中的应用    1 问题的提出    某厂的液压试验工作台，在试验中频繁出现单向阀泄漏故障。拆检发现，单向阀弹簧已被压扁，不能恢复到正常工作长度，导致阀芯不能正常工作。技术人员分析认为，出现弹簧失效的可能原因有2 种：单向阀弹簧工作应力过大，超出弹簧材料的许用应力，导致出现塑性变形；弹簧生产中，淬火热处理工艺不符合要求，导致弹簧材料没有达到设计要求。且该单向阀系委外设计生产，在了解配套厂的生产工艺后，技术人员认为其淬火工艺符合要求；弹簧失效的原因，很可能是弹簧结构尺寸与其工作条件不匹配所致。为此

2、，决定用有限元技术对弹簧进行应力分析。2 分析过程    该弹簧是压缩弹簧，采用65Mn 淬火处理，材料抗拉强度b1600 MPa，剪切强度 更小；其结构如图1 所示。弹簧自然长度32mm，压缩后最短长度23.1，最大压缩量8. 9mm。采用大型多物理场通用有限元软件ALGOR 进行分析。虽然ALGOR 自带建模工具，可以很快建立弹簧网格模型，但考虑到产品设计阶段已用三维CAD 软件Solid works 建立过弹簧的三维实体模型，决定利用ALGOR 与Solid works 集成紧密的特点，直接将Solid works 的三维实体模型导入ALGOR，并自动进行网

3、格划分，得到以六面体为主的实体网格。图2 为在Solid works 中建立的实体模型，图3 为划分网格并设定边界条件后的弹簧。    关于弹簧的边界条件，由胡克定理可知，在弹簧的弹性极限内，其受力与变形量成正比，因此弹簧所受的载荷并不恒定。根据这一特点，采用ALGOR 的机械事件仿真模块MES（Mechanical Event Simulation）进行分析。MES 是ALGOR 的主要功能模块之一，它将有限元分析与机械运动结合在一起，求解机械运动中构件在不同时刻的应力。在MES 分析中，只需指定弹簧活动端部节点位移量8.9mm，则程序自动求解弹簧在不同压缩量时

4、外部载荷及对应的内部应力。求解后可得到弹簧压缩的动画过程，从动画中看到不同压缩量时弹簧内部的应力变化。图4为弹簧被压缩到最大压缩量时的应力云图，从该图可见，弹簧最大应力发生在弹簧内圈，此时局部最大应力达6300N/mm2，多数部位平均应力超过4000N/mm2，远远大于65Mn 淬火后强度极限。这说明，该工况下弹簧应力远远超过其材料许用应力，因此被压扁后出现塑性变形，导致弹簧失效。    需要说明的是，上述分析有限元分析采用线性材料模式，即假定弹簧材料为线性材料，在此前提下得到的弹簧平均应力高达4000MPa。实际工况下，当弹簧应力超出许用应力后，将出现塑性变形，此时材料已进入塑性区域，应力-应变已不服从线性规律。因此，若要准确分析该工况下弹簧的真实应力和抗力，应采用非线性材料模式。用非线性材料模式分结果如图5所示，此时最大应力1558MPa，基本接近材料的极限拉伸强度。材料许用应力，而不是弹簧工作中的具体应力，因此采用线性材料模式分析的结果已经能够很好地回答该问题了。3 结语    通过有限元分析，确认弹簧被压扁的根本原因在于结构尺寸与过大的工作载荷不匹配