楊金平，于忠海

(1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093)

(2.上海電機學院 機械學院，上海 200245)

基于ANSYS/FE-SAFE的液壓扳手連桿疲勞壽命仿真分析

楊金平1,2，于忠海1,2

(1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093)

(2.上海電機學院 機械學院，上海 200245)

使用UG軟件對液壓扳手進行三維建模，分析關(guān)鍵部件連桿在工作中所受的載荷，通過ANSYS軟件與FE-SAFE軟件的結(jié)合，對液壓扳手連桿在工作時所受的交變載荷進行仿真并計算出其使用壽命。仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的對比結(jié)果表明，該仿真分析方法可靠，可為液壓扳手其他零部件的疲勞壽命分析提供一種可行的思路。

液壓扳手；連桿疲勞壽命；ANSYS/FE-SAFE；仿真

我國是全球第一制造業(yè)大國，但競爭力卻遠低于發(fā)達國家。國產(chǎn)產(chǎn)品大多以經(jīng)驗設(shè)計或仿造為主，在可靠性和耐久性方面缺乏保證，這也是與工業(yè)發(fā)達國家產(chǎn)品存在差距的一個重要原因。我國正處于從制造大國向制造強國的轉(zhuǎn)型期，逐漸從仿造走向創(chuàng)新設(shè)計，因而在設(shè)計過程中對產(chǎn)品的疲勞壽命進行仿真分析顯得尤為重要。

機械零件的3類主要破壞形式是腐蝕、磨損及斷裂，同時這也是機械零件失效的3個主要因素[1]。其中腐蝕和磨損過程緩慢，通過定期維修或更換零件就可以解決，而斷裂經(jīng)常是突然發(fā)生的，常常導致嚴重的設(shè)備事故和人身傷害，所以工程界更加重視疲勞斷裂破壞。

1 液壓扳手及其連桿模型的建立

隨著我國不斷前進的工業(yè)化步伐，大型機械設(shè)備使用得越來越廣泛。一些大型設(shè)備的制造由于加工、裝配、運輸、維修等原因無法制成一體，必須制成幾個分體或部件，然后通過大直徑高強度螺栓連接裝配成一體，使其完成設(shè)計者預(yù)期的功能。這些螺栓在設(shè)備工作期間起著保持設(shè)備完整性的關(guān)鍵作用，其失效造成的后果和損失往往是不可估量的，液壓扳手就是為這些關(guān)鍵螺栓的上緊和拆卸專門設(shè)計的提供可控預(yù)緊力的液壓螺栓工具。利用UG建立液壓扳手的三維模型(如圖1所示)，然后將關(guān)鍵部件連桿(如圖2所示)導入ANSYS，利用FE-SAFE對連桿進行疲勞壽命分析。

2 關(guān)于ANSYS/FE-SAFE軟件及其算法選擇

ANSYS-SAFE是ANSYS公司與英格蘭的安全技術(shù)公司緊密合作的產(chǎn)品，F(xiàn)E-SAFE模塊是專用的高級疲勞分析模塊，具有友好的用戶界面。它與許多有限元軟件和后處理器都有數(shù)據(jù)接口，可方便地進行疲勞分析的數(shù)據(jù)準備，所輸入的材料數(shù)據(jù)、載荷及載荷組合數(shù)據(jù)均可圖形化顯示。ANSYS/FE-SAFE先進的疲勞計算技術(shù)，具有很高的精度，對各類非金屬、金屬及合金等材料都適用。

ANSYS/FE-SAFE模塊包含單軸應(yīng)力、正應(yīng)變、Von Mises應(yīng)變、Brown-Miller等多種疲勞損傷模型。在實際問題中，單軸數(shù)據(jù)出現(xiàn)得比較少，一般選用多軸算法。多軸算法可使用局部應(yīng)變材料參數(shù)及材料的S-N曲線來完成。多軸算法是一種臨界平面算法，當使用彈性應(yīng)力時，可提供多軸彈塑性修正。應(yīng)力和應(yīng)變被分解到一系列平面上，這些平面以10°間隔交叉掃描[2]。在每個平面上獲得疲勞循環(huán)，并對平均應(yīng)力進行修正，最終通過計算得到疲勞壽命。該方法使用剪應(yīng)變與直接應(yīng)變的合成值以及下面方程所定義的壽命曲線：

3 ANSYS/FE-SAFE的仿真過程

ANSYS與FE-SAFE軟件相結(jié)合的疲勞壽命仿真過程主要包括以下幾個步驟：

a.有限元計算。通過ANSYS軟件對部件進行網(wǎng)格劃分及有限元分析，得到相應(yīng)的結(jié)果文件。

b.有限元結(jié)果讀入。進入FE-SAFE軟件工作界面，調(diào)入有限元結(jié)果，并確認有限元文件的單位制。

c.疲勞載荷定義。進入載荷編輯器，定義疲勞載荷的歷程系數(shù)。

d.材料疲勞參數(shù)定義。在材料庫中點擊所需材料，也可以通過材料的疲勞特性參數(shù)自行定義。

e.疲勞計算。計算設(shè)置強度因子FOS，并點擊Analyse開始計算。

f.疲勞計算結(jié)果查看?；氐紸NSYS界面，選擇疲勞計算結(jié)果文件進行查看。如果結(jié)果不符合設(shè)計要求，可進行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計。

4 液壓扳手的ANSYS靜強度分析

液壓扭矩扳手是以液壓為動力源，通過液壓推力缸推動搖臂，帶動棘輪機構(gòu)旋轉(zhuǎn)，從而輸出拆裝螺栓所需的扭矩。

液壓扳手連桿為鍛件，材質(zhì)為40CrMo，其彈性模量為2.12×105MPa，泊松比為0.28[3]。實體網(wǎng)格劃分選用Solid Brick 8 node 185單元，為保證足夠的計算精度，尺寸等級選為4，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。液壓扳手的工作壓力高達70MPa。根據(jù)液壓扳手的結(jié)構(gòu)特點和實際約束情況，對連桿球鉸接處采用完全約束，使得剛性位移消除。

通過ANSYS計算，將結(jié)果保存為rst格式文件，其等效應(yīng)力云圖如圖4所示。從圖4可以看出，連桿最大應(yīng)力值為317MPa，位置在孔銷連接處。

5 疲勞分析結(jié)果

將ANSYS有限元分析結(jié)果導入FE-SAFE軟件進行疲勞分析，F(xiàn)E-SAFE生成的疲勞分析結(jié)果也是rst格式的文件，相應(yīng)的疲勞壽命云圖需要通過ANSYS的后處理模塊來讀取。如圖5(a)所示。

通過云圖可以發(fā)現(xiàn)，疲勞破壞的位置出現(xiàn)在銷孔連接處，而其他部位疲勞壽命都大于1×107次。在實驗過程中也發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)疲勞破壞的位置都在銷孔連接處。因此，為了清楚地顯示連桿破壞的具體位置及相應(yīng)的對數(shù)疲勞壽命，將銷孔位置放大顯示，如圖5(b)所示?？梢钥闯觯钊菀装l(fā)生疲勞破壞位置的疲勞壽命為N=105.242=174 582次。其中，5.242是疲勞壽命云圖液壓扳手連桿對數(shù)中的最小值。

采用5臺頻率為300Hz的高頻疲勞試驗機對連桿進行疲勞試驗，對5個連桿同時加載70MPa交變應(yīng)力，得出每個連桿出現(xiàn)斷裂的時間(見表1)。

根據(jù)5個連桿的斷裂時間求出平均斷裂時間，疲勞試驗機的加載頻率為300次/min，從而得到平均加載次數(shù)為171 420次。液壓扳手按每年工作300天、一天需要工作30次計算，連桿的壽命為19年，遠大于液壓扳手的設(shè)計壽命10年，符合設(shè)計要求。仿真計算得到的疲勞壽命與連桿試驗所得疲勞破壞的壽命相近，說明該分析方法是可行的。

6 結(jié)論

a.疲勞仿真的計算結(jié)果與實際壽命相差小于2%，說明基于ANSYS/FE-SAFE的疲勞壽命仿真是一種可行的方法。

b.實際壽命略低于仿真計算壽命，這主要是因為實際工況比模擬的工況復(fù)雜。因此，在仿真過程中會出現(xiàn)一定的誤差。

c.結(jié)合ANSYS-SAFE來設(shè)計產(chǎn)品，可在樣品生成之前進行疲勞分析與優(yōu)化設(shè)計，有助于等壽命周期設(shè)計的實現(xiàn)，可以大大降低樣品的制造與壽命試驗所需的費用。

d.通過對液壓扳手連桿的仿真分析，為液壓扳手其他零部件的仿真提供了一種可行的方法。

[1] 徐灝．疲勞強度[M]．北京：高等教育出版社，1988：90-108.

[2] 姜年朝．ANSYS和ANSYS/FE-SAFE軟件的工程應(yīng)用及實例[M]．南京：河海大學出版社，2006：72-92.

[3] 馬九榮．機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1995：225-235.

The simulation analysis on the fatigue life of the connecting rod for hydraulic wrench with ANSYS/FE-SAFE

YANG Jinping1,2,YU Zhonghai1,2

(1.University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China)

(2.Shanghai Dianji University, Shanghai, 200245, China)

Based on UG software, it builds the 3D modeling for the hydraulic wrench, analyzes the load of the critical component connecting rod in working process. Using ANSYS software and FE-SAFE software, it simulates the alternating load in the connecting rod of hydraulic wrench and calculates its useful life. Then, it compares the simulation result with the experimental data and finds that these two results are very close. This comparison proves that the simulated analysis is reliable. It provides a workable way for the fatigue life analysis for other components of hydraulic wrench.

hydraulic wrench; connecting rod; fatigue life; ANSYS/FE-SAFE; simulation

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.02.009

2015-01-19

楊金平(1987—)，男，江西上饒人，上海理工大學碩士研究生，主要研究方向為液壓工具的可靠性。

TH164

A

2095-509X(2015)02-0035-03