YT25-1000液壓機支柱疲勞分析

宋繼順，謝 潔，李 森

(1.天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384;2.天津理工大學(xué)天津市光電顯示材料與器材重點實驗室，天津 300384;3.天津市天鍛壓力機有限公司，天津 300142)

0 前言

現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展遵循的理念是節(jié)能、環(huán)保、安全，汽車輕量化作為行之有效的節(jié)能減排手段成為了汽車工業(yè)發(fā)展的趨勢。高強鋼以其高減重潛力、高碰撞吸收能、高疲勞強度、高成型性及低平面各向異性等優(yōu)勢，已經(jīng)成為汽車工業(yè)輕量化的主要材料。試驗表明，汽車質(zhì)量每減少10%，油耗可降低3% ～8%［1］，汽車中成形性相對復(fù)雜、強度級別較高且對舒適性、安全性要求較高的零件都采用了高強鋼板，尤其是在汽車AB柱、前后門防撞梁等方面獲得了較廣泛應(yīng)用。高強鋼板的熱成形作為兼顧輕量化與碰撞安全性以及高強度下沖壓件回彈與模具磨損等問題而滿足生產(chǎn)發(fā)展需要的先進(jìn)工藝技術(shù)而備受關(guān)注，與之相對應(yīng)的快速熱壓成型液壓機的性能也越來越備受關(guān)注。

由于熱壓成型工藝的特殊性，快速熱成型液壓機在連續(xù)工作的情況下要求保持很高的穩(wěn)定性和可靠性。在快速熱成型液壓機結(jié)構(gòu)中，支柱是主要的支承件和受力件，不但要支撐上梁與油缸，穩(wěn)固機身，還要承受工作拉力，且對活動橫梁起導(dǎo)向作用，保證活動橫梁水平，防止模具壓偏。結(jié)構(gòu)的強度、剛度以及疲勞性能對整機的安全和產(chǎn)品的質(zhì)量有著決定性的影響［2］。設(shè)計時要求支柱有足夠的強度和剛度且導(dǎo)向表面有足夠的精度、光潔度和必要的硬度，且液壓機主要零部件大多是在承受多次交變載荷之后而疲勞破壞的，快速熱成型液壓機在連續(xù)工作時頻率高達(dá)5000次/日以上，因此，疲勞壽命分析在液壓機本體設(shè)計中具有重要意義，選用YT25-1000液壓機支柱為研究對象，在考慮疲勞影響因素下，針對該液壓機考慮保壓時間的影響，為液壓機的安全運行和機架的設(shè)計提供較可靠的理論依據(jù)。

1 快速熱成型液壓機結(jié)構(gòu)

YT25-1000快速熱成型液壓機主要由機身、油缸、液壓系統(tǒng)、活塞式蓄能器、電氣控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)及其他輔助部件組成。動力系統(tǒng)由高壓油泵、調(diào)壓閥、油箱等組成，為液壓機提供可控制的液壓動力源。電氣控制系統(tǒng)由電氣箱、PLC、觸摸屏、報警系統(tǒng)等組成。圖1為YT25-1000快速熱成型液壓機外觀圖。

圖1 YT25-1000快速熱成型液壓機外觀圖Fig.1 Appearance of YT25-1000 rapid hot hydraulic press

機身采用拉桿預(yù)緊組合框架式機架，由上橫梁、滑塊、下橫梁、立柱、拉桿等組成。其主要結(jié)構(gòu)件采用鋼板焊接而成，經(jīng)高溫退火消除內(nèi)應(yīng)力，這種結(jié)構(gòu)的機架剛性比較好。組合框架式機架避免了由于單個構(gòu)件體積龐大而導(dǎo)致的加工困難問題，便于制造、運輸和安裝，但是在工作過程中，機架整體性、各組件之間的接觸狀態(tài)和載荷傳遞等都會引起機架的局部變形和應(yīng)力集中，易于發(fā)生疲勞破壞。

機架在安裝時，4根拉桿在總壓力超過公稱壓力的1.1倍的情況下使液壓機加載，拉桿由于超載受到拉力作用，產(chǎn)生彈性伸長，此時擰緊螺母保證機架的整體性。預(yù)緊時，由拉桿和緊固螺母將上下橫梁、支柱預(yù)緊，組成一個整體，使各構(gòu)件相擠壓緊密貼合在一起。如果預(yù)緊參數(shù)不合理，將發(fā)生開縫現(xiàn)象，影響接觸面之間的力流傳遞［3-4］，在接觸區(qū)域產(chǎn)生局部應(yīng)力集中。反復(fù)加載會導(dǎo)致機架發(fā)生疲勞破壞，降低機架使用壽命。

2 有限元模型建立

為了使模擬結(jié)果更加接近實際工況，采用SolidWorks軟件對YT25-1000快速熱成型液壓機進(jìn)行耦合的方式建立三維實體，再通過ANSYS Workbench軟件數(shù)據(jù)接口調(diào)用三維模型進(jìn)行有限元建模，并劃分網(wǎng)格，選擇ANSYS Workbench默認(rèn)網(wǎng)格，對圓角處、拉桿根部、接觸部位等關(guān)鍵受力部分進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化以提高計算精度，共劃分單元112 747個，節(jié)點226 582個。建立的有限元模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 液壓機的有限元網(wǎng)格劃分模型Fig.2 Finite element mesh model of a hydraulic press

材料屬性定義為線彈性、各向同性且不隨溫度變化。模型各部件具體材料參數(shù)如表1所示。采用Fixed Support命令約束左、右支柱地腳螺釘處的x、y、z方向自由度。并且在油缸安裝位置施加相應(yīng)的邊界條件，可按照滿載工作時的實際受力，在工件進(jìn)行壓制時，在主油缸內(nèi)側(cè)平面上施加35 MPa的壓力，在柱塞上端施加35 MPa的壓力，并在拉桿處施加275 kN預(yù)緊力。

表1 材料的性能參數(shù)Tab.1 Material performance parameters

3 模擬結(jié)果及分析

有限元疲勞分析應(yīng)在取得強度分析應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上，再以材料的疲勞特性為依據(jù)進(jìn)行疲勞計算［5］。本文首先對液壓機的支柱進(jìn)行強度分析，并在此基礎(chǔ)上對液壓機支柱的疲勞壽命進(jìn)行分析計算。

3.1 支柱靜態(tài)有限元分析

經(jīng)有限元分析計算，支柱在滿載工況下的位移云圖如圖3所示。從圖中可知，加載后，支柱最大位移為2.6068 mm，出現(xiàn)在與上橫梁接觸部位的薄板處;最小位移為0 mm，出現(xiàn)在與下橫梁接觸部位。

圖3 支柱位移云圖Fig.3 Displacement cloud of pillar

圖4為支柱等效應(yīng)力云圖，圖5是支柱最大等效應(yīng)力云圖局部放大圖。從圖4、5中可以看出，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)的位置與最大位移位置相同，都在支柱與上橫梁接觸部位的薄板處，最大應(yīng)力為48.414 MPa，對最大等效應(yīng)力點靜強度校核，取安全系數(shù)n=2，許用應(yīng)力為:［σ］s=σs/n=235/2=117.5 MPa。根據(jù)第四強度理論校核，σeqvmax=48.414 MPa≤［σ］s=117.5 MPa，滿足靜載設(shè)計要求。圖6、圖7為支柱等效應(yīng)變云圖及其放大圖。圖中最大等效應(yīng)變發(fā)生部位與最大等效應(yīng)力相同，其值為2.42×10－4mm/mm。

由于高應(yīng)力區(qū)容易在加載過程中發(fā)生塑性變形而導(dǎo)致屈服失效;應(yīng)力集中區(qū)在反復(fù)加載過程容易引發(fā)裂紋萌生，產(chǎn)生疲勞破壞;構(gòu)件之間接觸位置在聯(lián)接不對齊或不連續(xù)的情況下會導(dǎo)致高應(yīng)力或應(yīng)力集中。通過對支柱位移云圖、應(yīng)力應(yīng)變云圖的分析，應(yīng)對支柱接觸部位重點監(jiān)測，防止發(fā)生疲勞破壞。

3.2 支柱疲勞有限元分析

運用Workbench中疲勞分析模塊，輸入金屬材料S-N曲線，根據(jù)載荷譜、定義名義應(yīng)力修正理論完成疲勞壽命計算［6］。疲勞壽命分析中有限壽命設(shè)計的核心問題是疲勞累計損傷，工程中廣泛使用的疲勞累計損傷理論為Palmgren-Miner 法則［7］。

等幅載荷下，n個循環(huán)造成的損傷

式中，n為循環(huán)次數(shù)，N為循環(huán)破壞壽命。

變幅載荷下，n個循環(huán)造成的損傷為

其中，ni為第i個應(yīng)力水平的循環(huán)次數(shù);Ni為第i個應(yīng)力水平的循環(huán)破壞壽命。

n個循環(huán)造成的疲勞累計損傷到1認(rèn)為材料疲勞強度失效。用1.0×105次循環(huán)作為設(shè)計壽命值來分析疲勞。

疲勞分析的關(guān)鍵，首先在于準(zhǔn)確的材料疲勞特性，主要包括材料的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線、S-N曲線、E-N曲線等數(shù)據(jù)。本文所需最主要的材料信息是S-N曲線，S-N曲線表示外加應(yīng)力水平和標(biāo)準(zhǔn)試樣疲勞壽命之間的關(guān)系曲線。Q235A的S-N曲線如圖8所示。

圖8 Q235A的S-N曲線Fig.8 S-N curve of Q235A

圖9為支柱疲勞壽命云圖。Life等值線顯示由于疲勞作用直到失效的循環(huán)次數(shù)，零部件在一定的應(yīng)力作用下，若循環(huán)次數(shù)超過了106次，則稱其為無限壽命［8］;從圖10中可以看出，支架疲勞壽命均勻，達(dá)到1.0×10次，為無限壽命。

圖9 支柱Life(壽命)圖Fig.9 Life of pillar

圖10 支柱D(損傷)云圖Fig.10 Damage cloud of pillar

圖11為支柱疲勞安全系數(shù)云圖，圖12為安全系數(shù)最小值放大圖。安全系數(shù)等值線是關(guān)于一個在給定設(shè)計壽命下的失效。從圖11、12疲勞安全系數(shù)云圖可以看出，支柱的最小安全系數(shù)分布與其最大應(yīng)力位置基本相同。支柱整體安全系數(shù)處于4.709 9～10之間，最小安全系數(shù)其值仍大于1，支柱設(shè)計偏安全。

圖11 疲勞安全系數(shù)云圖Fig.11 Fatigue safety factor cloud of pillar

圖12 支柱最小安全系數(shù)放大云圖Fig.12 Enlargement minimum safety factor cloud of pillar

不論采用何種疲勞強度失效評價標(biāo)準(zhǔn)，在相同設(shè)計壽命前提下，支柱疲勞失效面積小，關(guān)鍵區(qū)域未出現(xiàn)疲勞失效現(xiàn)象，支柱達(dá)無限壽命。實際工況對支柱疲勞失效影響不大，說明支柱結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足疲勞強度要求，數(shù)值模擬具有一定指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

(1)基于Workbench對YT25-1000快速熱成型液壓機進(jìn)行設(shè)備-模具耦合靜態(tài)分析，得到支柱變形情況及應(yīng)力應(yīng)變分布，確定支柱易發(fā)生疲勞破壞的部位，在實際生產(chǎn)過程中重點監(jiān)測。

(2)結(jié)合疲勞壽命理論與ANSYS Workbench疲勞分析模塊數(shù)值模擬，得出支柱在給定設(shè)計壽命值下的實際最小壽命、最大損傷、最小安全系數(shù)范圍，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了依據(jù)。

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