基于ansys的某中厚板厂十字形轴叉头疲劳寿命分析

基于ansys的某中厚板厂十字形轴叉头疲劳寿命分析

1含油剂的零件厚板缝纫机是生产厚板的重要单体设备。主壳体是机械零件的主要组成部分，一柱一万多轴的主壳体也是传输运动和扭矩的重要部件。它的零件包括证书针头、连接轴、轴承、螺钉、螺母、垫屑和线圈。其中，销头是万历轴承的重要传动部件。结构比较复杂。在传输介质的外部力的作用下，有许多容易引起疲劳集中的区域，因此它是一个容易损坏的部件之一。针对某中厚板厂万向联轴器的叉头断裂,现场破坏实物图,如图1所示。使用ANSYS对其结构进行静强度分析,并应用ANSYS/FE-SAFE软件对叉头的疲劳寿命进行了分析。2主轴畸变测试数据分析2.1压力下的应变检测中厚板可逆式粗轧机主传动系统的示意图,如图2所示。轧机轧制牌号为AH32的船体结构钢板,其尺寸为:(200×1800×22000)mm。试验中扭矩的测量方法选用旋转轴的应变测量。根据材料力学知识,当圆轴受扭矩作用时,在圆轴表面任取一单元体,轴表面上各点在与轴线成±45°的方向上产生最大主应力σ和最小主应力σ3,其数值与该轴表面上最大扭转剪应力τmax相等,即|σ1|=|-σ3|=τmax,相应有最大应变值εM。这样在轴表面沿与轴线成±45°的方向上粘贴应变片,就可以直接测出应变,进而可计算出扭矩。无线传感器网络扭矩测点在主传动系统中的布置位置,如图2所示。在靠近电机端的上下接轴测试扭矩。2.2粗轧上轴在一个轧轧周期内应变历史曲线无线传输设备将数据传送出来,数据以Excel文档格式存储在计算机上,然后对应变测试得到的数据对比、筛选分析。由于数据繁多,此处不一一列举,现在取这次测到的典型几个轧制周期的应变历史曲线,如图3所示。粗轧机上轴在一个轧制周期内轧制过程应变历史曲线图,如图4所示。材质的弹性模量;D—轴的直径。应用上式进行计算,可求得轧机在轧制过程当中扭矩随时间变化的数值,并绘制出与时间相对应的扭矩历史曲线,如图5所示。经现场数据的测试及计算,轧机工作时最大工况扭矩为1538kN·m,即万向联轴器传递的最大扭矩为M=1538kN·m。3静态强度分析为了能较真实地反映叉头的应力分布状况,建立整体十字轴式万向联轴器模型,并对其进行静力学强度分析。3.1memsys建模由于重点研究叉头部分,所以在满足准确性的前提下对万向联轴器的各组成零部件进行了一定的简化处理。十字轴式万向联轴器的主要技术参数,如表1所示。利用ANSYS软件经过拉伸、旋转、镜像、布尔运算等命令直接建立万向联轴器装配图模型。联轴器的材料为42CrMo,其性能参数:弹性模量E=2×1011Pa,泊松比为0.3,密度=7.85×103kg/m,在850°油淬、580°回火的条件下,其屈服极限为940MPa,强度极限为1134MPa。应用有限元分析软件ANSYS,选择实体单元类型solid45,采用自由网格划分实体,如图6所示。共划分网格单元94035个,节点19739个。3.2含氟多通道器的万光束传输的载荷根据万向联轴器的工作状态对其添加约束,使用目标单元TARGE170和接触单元CONTA173创建了轴承组件与轴承孔间的接触对,万向联轴器是通过法兰盘底部的齿啮合来定位和传动的,这里认为叉头底面固定不动,因此叉头底面应为全约束。万向联轴器承受的载荷为转矩,该转矩在力学模型上转化为作用于叉头法兰端边缘各节点上的集中力。法兰端半径为470mm,其外边缘面的节点数为232个,由上知,万向联轴器传递的最大扭矩为M=1538kN·m。由此,可将扭矩等效为作用在每个节点上的力为14109N。3.3静力学计算结果可以通过两种方式来判断结构部件有限元分析的强度结果是否满足要求:最大应力值是否小于材料的许用应力;零件的变形量是否小于许用变形量。静力学计算主要得到零部件的应力云图,整体十字轴式万向联轴器静强度分析结果,如图7所示,叉头静强度分析结果,如图8所示。从图7、图8可以发现万向联轴器上最大应力位置在叉头轴承孔根部倾角约为45°处,此结果与断裂部位吻合,最大应力为292MPa,因此在正常的工作条件下,最大应力远小于许用应力,叉头是安全的。由此可知,该叉头可能是疲劳破坏。4叉头疲劳性能计算将上述测试得到的时间载荷历程和*.rst中储存的静力学分析结果一起添加到FE-SAFE软件疲劳对话窗口后,FE-SAFE软件会自动进行比例迭加,进行疲劳计算。FE-SAFE软件提供了一种快捷的方法来获得材料的疲劳性能曲线。只要将材料的屈服极限、弹性模量和材料类型输入软件,软件会自动生成此种材料的疲劳性能曲线,用于疲劳强度的计算。经计算叉头的最短疲劳寿命为:312761.498循环次数,即叉头使用寿命为312761.498个工作周期,由前诉知,主传动系统一个工作周期的时间是120s,以一年工作300天计,叉头的使用寿命为一年半左右,此疲劳计算结果与实际使用寿命相差不大,所以,可判断此叉头断裂的原因为疲劳断裂。叉头疲劳安全系数云图,如图9所示。从图9中可以看出,叉头的最小安全系数为0.726575。叉头属于重载且承载情况复杂的构件,其疲劳安全系数一般为1.5左右。根据计算结果,,在目前的载荷状况下,叉头的疲劳安全系数偏低。由此可知,叉头在疲劳安全系数不足的情况下,其断裂是属于承受交变循环载荷下的疲劳破坏。5叉头的应力及疲劳性能分析(1)疲劳破坏是机械零件的常见破坏形式,对零件进行疲劳寿命分析对于设计而言是至关重要的环节之一。而采用有限元分析软件ANSYS对十字轴式万向联轴器整体进行分析,能较全面反映各零部件的真实应力分布,是机械零件强度计算的有效方法。(2)叉头最大应力值发生在轴承孔根部倾角约为45°处,与现场实际破坏位置吻合,同时叉头最大应力小于屈服极限,表明叉头失效不是由于静强度不足所致。(3)基于现场实测的扭矩载荷谱,利用ANSYS/FE-SAFE软件对万向联轴器叉