• 
    

    
    

      99热精品在线国产_美女午夜性视频免费_国产精品国产高清国产av_av欧美777_自拍偷自拍亚洲精品老妇_亚洲熟女精品中文字幕_www日本黄色视频网_国产精品野战在线观看 ?

      液壓支架銷軸連接接觸應(yīng)力及失效分析

      2023-02-03 04:57:52高宏偉呂凱波李健樊紅衛(wèi)蘇成明鐘宏宇
      機(jī)床與液壓 2023年1期
      關(guān)鍵詞:銷孔銷軸拉力

      高宏偉,呂凱波,,李健,樊紅衛(wèi),蘇成明,鐘宏宇

      (1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,山西太原 030024;2.太原理工大學(xué)霍州智能再制造研究院,山西霍州 041000;3.西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,陜西西安 710054;4.陜西天元智能再制造股份有限公司,陜西西安 710065)

      0 前言

      銷軸連接結(jié)構(gòu)是液壓支架重要的組成部分,在各結(jié)構(gòu)件之間起承載與連接作用。由于綜采工作面環(huán)境復(fù)雜,液壓支架在使用過程中,受到惡劣工況的影響,使銷軸連接部位產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損壞,造成銷軸連接部位尺寸偏移,影響液壓支架正常工作[1-4]。因此,銷軸連接結(jié)構(gòu)的可靠性對(duì)液壓支架的使用壽命具有重要影響作用,研究銷軸連接的應(yīng)力分布及其失效形式具有積極的理論和實(shí)踐意義。

      針對(duì)銷軸連接結(jié)構(gòu)接觸應(yīng)力及破壞形式,眾多學(xué)者做了大量研究。張濤等人[5]對(duì)3種銷軸設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比分析,研究了均勻、正弦和赫茲這3種應(yīng)力分布模型的最大應(yīng)力。顏東煌等[6]研究了提升力、材料等參數(shù)對(duì)銷軸連接結(jié)構(gòu)接觸應(yīng)力大小和分布的影響。ANTONI[7]運(yùn)用非線性研究帶套管的銷軸節(jié)點(diǎn),驗(yàn)證受力方向、初始間隙和摩擦力對(duì)銷軸節(jié)點(diǎn)接觸應(yīng)力的影響。SUNDARAM和FARRIS[8]研究了彈性銷軸的有限摩擦接觸問題。高嘯等人[9]將接觸剛度矩陣和赫茲接觸理論相結(jié)合,考慮銷軸節(jié)點(diǎn)接觸突變的特性,推導(dǎo)出接觸應(yīng)力求解方程。銷孔變形屬于一種冷擠壓變形問題。王幸等人[10]研究了孔擠壓強(qiáng)化鉸孔工藝的三維有限元模擬方法及擠壓強(qiáng)化后鉸孔對(duì)孔邊殘余應(yīng)力分布的影響。潘斌等人[11]對(duì)高強(qiáng)度鋼材螺栓抗剪連接試驗(yàn)進(jìn)行非線性分析,采用有限元模型模擬出了連接板發(fā)生的孔壁承壓破壞、凈截面破壞等不同的破壞模式。NIGRELLI和PASTA[12]通過三維有限元模擬開縫襯套擠壓過程,分析了襯套開縫位置對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響。王敏[13]基于DEFORM-3D軟件平臺(tái),對(duì)某汽車球頭銷的冷擠壓工藝進(jìn)行模擬,對(duì)成形過程中工件可能出現(xiàn)的缺陷及部位進(jìn)行了分析。

      當(dāng)前,眾多學(xué)者對(duì)銷軸銷孔接觸問題提出不同的修正模型及計(jì)算公式,使接觸模擬更接近實(shí)際。然而這些分析模型都是基于一定的假設(shè),有一定的局限性,對(duì)銷軸銷孔尺寸有一定的限制。隨著計(jì)算科學(xué)的發(fā)展,有限元法仿真為傳統(tǒng)難于計(jì)算的接觸問題做了補(bǔ)充,并且為其失效分析提供新方法[14-16]。本文作者以ZY12000/28/63D液壓支架底座銷孔為研究對(duì)象,運(yùn)用ADAMS對(duì)液壓支架作受力分析,基于赫茲接觸理論相關(guān)知識(shí)與有限元仿真方法,深入研究液壓支架銷孔處接觸應(yīng)力及失效問題。研究結(jié)果可為液壓支架銷軸連接的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

      1 液壓支架底座銷孔應(yīng)力分析

      1.1 Hertz接觸理論模型

      根據(jù)Hertz接觸理論[17],兩橢圓面上的最大壓應(yīng)力可按式(1)計(jì)算:

      (1)

      其中:p0為最大接觸壓力;a為長(zhǎng)半軸;b為短半軸;p為沿體軸線方向單位長(zhǎng)度上的外壓力。

      關(guān)于銷軸與銷孔接觸問題,可以看做是圓柱與凹平面接觸問題,實(shí)際就是接觸面橢圓長(zhǎng)半軸a為無窮大的特殊情況。銷孔在承受法向荷載后,銷孔在接觸線附近產(chǎn)生變形,形成一寬度為2b的狹長(zhǎng)矩形接觸面,接觸面中心線是最大接觸應(yīng)力處。根據(jù)兩圓柱體接觸情況,現(xiàn)將半徑為R2的銷軸放置在半徑為R1的銷孔內(nèi),即R1取負(fù)值,可解決銷軸銷孔接觸應(yīng)力問題。當(dāng)銷軸和銷孔材料彈性模量相同且泊松比相同,即μ1=μ2=0.3,推導(dǎo)出接觸面的最大接觸壓應(yīng)力如式(2)所示

      (2)

      其中:p0為最大接觸壓應(yīng)力;p為沿體軸線方向單位長(zhǎng)度上的外壓力;E為彈性模量;R1和R2分別為銷孔和銷軸的曲率半徑。

      1.2 銷孔受力計(jì)算

      為了得到液壓支架底座銷孔處具體工況下的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果,需得知該工況下的受力情況。本文作者以頂梁扭轉(zhuǎn)、底座扭轉(zhuǎn)這種惡劣工況為研究對(duì)象,運(yùn)用ADAMS對(duì)液壓支架各結(jié)構(gòu)件進(jìn)行受力分析,對(duì)每個(gè)柱窩處采用內(nèi)加載方式施加7 200 kN載荷,液壓支架三維模型如圖1所示。

      圖1 液壓支架三維模型Fig.1 Three-dimensional model of hydraulic support

      底座銷孔處受力如圖2所示。設(shè)定沿著連桿朝向銷孔的力為負(fù),相反為正。其中左前銷孔1受力12 705 kN;右前銷孔銷孔2受力-975 kN;左后銷孔3受力-10 548 kN;右后銷孔4受力6 388 kN。以下將對(duì)受力較大的兩個(gè)銷孔處進(jìn)行分析。

      圖2 液壓支架底座銷孔受力Fig.2 The force of the pin hole of the hydraulic support base

      1.3 應(yīng)力分析結(jié)果

      銷軸連接部位有限元模型如圖3所示。銷軸材料為40Cr,連接件材料為Q460,網(wǎng)格大小設(shè)置為20 mm。經(jīng)檢查網(wǎng)格質(zhì)量,其中單元畸變度(Skewness)為0.23,單元質(zhì)量(Element Quality)為0.86,網(wǎng)格質(zhì)量良好。對(duì)底部采用固定約束,為使邊界條件更為準(zhǔn)確,對(duì)耳板右側(cè)進(jìn)行彈性約束,模擬右側(cè)為鋼板連接結(jié)構(gòu)。銷孔與銷軸之間采用摩擦接觸,對(duì)連桿截面施加載荷力,其數(shù)值采用銷孔受力計(jì)算的結(jié)果。

      圖3 銷軸連接有限元模型Fig.3 Finite element model of pin joint connection:(a)front pin hole;(b)rear pin hole

      1.3.1 理論計(jì)算結(jié)果

      由于銷軸材料為40Cr,連接件材料為Q460,兩種材料之間彈性模量與泊松比相差較小,為便于計(jì)算,按材料彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3。銷軸屈服強(qiáng)度為780 MPa。底座屈服強(qiáng)度為460 MPa,抗拉強(qiáng)度為680 MPa,切線模量為6 800 MPa。外載荷按照前文中液壓支架力學(xué)仿真中銷軸結(jié)果加載,銷軸受力情況沿垂直于銷軸軸線方向等分平面向兩邊遞減延伸,斜率為1,如圖4所示[9]。在求解過程中假設(shè)銷孔的左端面為坐標(biāo)原點(diǎn),根據(jù)銷的受力狀況,可以分析出銷孔位置在理想狀態(tài)下的接觸應(yīng)力情況,根據(jù)二力平衡原理,可知銷孔處受力及應(yīng)力情況。

      圖4 銷軸受力簡(jiǎn)圖Fig.4 Diagram of pin joint force

      根據(jù)力學(xué)仿真所得出的數(shù)據(jù)與公式(2)可得出銷孔處最大應(yīng)力及應(yīng)力分布情況。選擇銷孔受力較大處,其中前銷孔受力為12 705 kN,最大接觸應(yīng)力為460.15 MPa,其分布結(jié)果見圖5(a)。后銷孔受力為10 548 kN,最大接觸應(yīng)力為432.18 MPa,其分布結(jié)果見圖5(b)。

      圖5 銷孔接觸應(yīng)力Fig.5 Contact stress of the pin hole:(a)contact stress of front pin hole under positive tension;(b)contact stress of rear pin hole under negative tension

      1.3.2 結(jié)果對(duì)比

      有限元分析及理論結(jié)果如圖5所示,圖(a1)(b1)為選取銷孔處接觸應(yīng)力路徑,選取其中12個(gè)節(jié)點(diǎn),圖(a2)(b2)為應(yīng)力結(jié)果對(duì)比圖。其中由于銷軸端面與銷孔端面之間相差9.5 mm,為使結(jié)果更為精確,將有限元結(jié)果中路徑0~9.5 mm處結(jié)果舍棄,其結(jié)果如圖5(a1)所示。

      從圖5中可以看出:前銷孔處有限元結(jié)果與理論結(jié)果較為貼近,除去第一個(gè)節(jié)點(diǎn),其節(jié)點(diǎn)最大誤差為3.3%;后銷孔有限元結(jié)果與理論結(jié)果相差較大,但在靠近銷孔端面為70 mm附近,其結(jié)果較為可靠。從圖6可以看出:靠近銷孔端面0~9.5 mm處接觸狀態(tài)與后方接觸狀態(tài)不同,證明舍棄0~9.5 mm處結(jié)果可行。從圖6(a)可以看出:其接觸邊界為一條直線,中間稍微凸起,其接觸狀態(tài)良好。從圖6(b)可以看出:其接觸邊界一條平齊直線,圓孔處邊界為直線,接觸狀態(tài)相較于前銷孔更優(yōu)。綜合考慮,由于后銷孔在壓力作用下,銷孔與銷軸之間非線性程度較高,故后銷孔理論結(jié)果與仿真結(jié)果存在較大誤差。

      圖6 前銷孔(a)、后銷孔(b)表面接觸狀態(tài)圖Fig.6 Front(a)and rear pin hole (b)surface contact state

      1.3.3 外力對(duì)接觸應(yīng)力的影響

      圖7為拉力為1 000~12 500 kN時(shí)對(duì)銷孔應(yīng)力的影響??梢钥闯觯寒?dāng)外載荷在1 000~10 000 kN下其接觸應(yīng)力規(guī)律基本一致,結(jié)果近似為一條直線,與理論應(yīng)力結(jié)果假設(shè)分布相符。在銷孔30 mm與60 mm處應(yīng)力斜率發(fā)生小突變,這與仿真過程考慮了材料非線性有關(guān)。而銷孔在外載荷為12 500 kN時(shí)其不同接觸位置處應(yīng)力表現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性。這是由于在這種載荷條件下其接觸應(yīng)力超過屈服極限,導(dǎo)致材料發(fā)生塑性應(yīng)變,最終接觸狀態(tài)發(fā)生突變。

      圖7 不同載荷下銷孔應(yīng)力曲線Fig.7 Curves of stress of pin hole under different loads

      2 銷孔失效分析

      2.1 銷孔變形分析

      圖8為前后銷孔在正負(fù)拉力條件下所得應(yīng)力云圖和變形云圖。從應(yīng)力云圖上看:銷孔在拉力作用下銷孔接觸前端與銷孔兩側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中;在負(fù)拉力作用下銷孔受壓前端接觸區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中。從變形云圖上看:銷孔在正拉力條件下產(chǎn)生較大變形,變形方式為沿拉力整體遷移,在放大倍數(shù)下前銷孔呈凸輪狀,后銷孔呈跑道狀。在負(fù)拉力條件下銷孔內(nèi)壁孔變形更為明顯,其變形方式為銷孔內(nèi)側(cè)沿壓力方向遷移。

      從圖8可以看出:前銷孔在正拉力條件下最大應(yīng)力為534.69 MPa,后銷孔在負(fù)拉力條件下最大應(yīng)力為501.66 MPa,均超過銷孔處材料的屈服極限,有必要分析銷孔在此工況下產(chǎn)生的塑性變形。

      圖8 銷孔應(yīng)力及變形云圖Fig.8 Stress and deformation cloud diagram of pin hole: (a) front pin hole under positive tension; (b) rear pin hole under positive tension; (c) front pin hole under negative tension; (d) rear pin hole under negative tension

      2.2 銷孔處塑性變形

      圖9為銷孔在外力作用下塑性應(yīng)變?cè)茍D,可以看出,銷孔在拉力情況下整體塑性變形更為嚴(yán)重。銷孔處在正拉力下的主要破壞形式為孔壁兩側(cè)破壞,前銷孔與銷軸接觸前端產(chǎn)生擠堆效應(yīng);銷孔在負(fù)拉力條件下對(duì)銷孔內(nèi)側(cè)擠壓圓孔處影響更大,破壞主要表現(xiàn)為銷孔前端的擠堆,銷孔兩側(cè)孔壁影響較小。圖10為前銷孔在不同正拉力下的應(yīng)變?cè)茍D,可以發(fā)現(xiàn)在載荷增加的情況下,隨著銷孔兩側(cè)塑性應(yīng)變逐漸增大,銷孔前端擠堆效應(yīng)更為明顯。

      圖9 前、后銷孔塑性應(yīng)變?cè)茍DFig.9 Diagram of plastic strain of the front and rear pin holes:(a)under positive tension;(b)under negative tension

      由以上的發(fā)現(xiàn),以前銷孔為例,可以總結(jié)出銷孔處具體失效形式,如圖11所示。其中虛線A附近為端部擠壓破壞的危險(xiǎn)區(qū)域,易發(fā)生冷擠壓破壞;虛線B附近為剪切破壞的危險(xiǎn)區(qū)域,易發(fā)生裂紋破壞;虛線C附近為受拉破壞的危險(xiǎn)區(qū)域,易發(fā)生延受拉方向的塑性變形。圖中陰影部位為擠壓堆積部位。

      圖10 不同載荷下銷孔塑性應(yīng)變?cè)茍D 圖11 銷孔危險(xiǎn)區(qū)域示意 Fig.10 Cloud diagram of plastic strain of the pin hole under different Fig.11 Schematic diagram of loads:(a)10 000 kN;(b)12 500 kN;(c)15 000 kN pin hole deformed area

      3 結(jié)論

      通過液壓支架力學(xué)仿真得到了銷孔處受力情況,將數(shù)學(xué)模型與有限元仿真相結(jié)合研究了銷孔處的接觸應(yīng)力及壓力對(duì)銷孔處應(yīng)力的變化規(guī)律,通過有限元結(jié)果分析了銷孔處變形及塑性變形現(xiàn)象,得出以下結(jié)論:

      (1)前銷孔接觸應(yīng)力仿真結(jié)果與理論結(jié)果相近,后銷孔由于材料、結(jié)構(gòu)等非線性因素影響,與理論結(jié)果偏差較大。銷孔在載荷為1 000~10 000 kN條件下,接觸應(yīng)力呈線性分布;銷孔在拉力為12 500 kN時(shí),接觸應(yīng)力分布結(jié)果呈現(xiàn)較強(qiáng)的非線性。

      (2)銷孔在正拉力情況下應(yīng)力主要集中在銷孔接觸前端與銷孔兩側(cè),在負(fù)拉力條件下主要集中在銷孔接觸前端。正拉力對(duì)銷孔變形影響更大,其前銷孔呈凸輪狀分布,后銷孔呈跑道狀分布。

      (3)通過銷孔處的塑性變形云圖,分析銷孔處的破壞形式。從塑性應(yīng)變?cè)茍D看,銷孔處受拉的主要破壞形式為孔壁兩側(cè)破壞,且在拉力較大情況下銷孔與銷接觸前端銷孔擠堆效果較為明顯,受壓情況下耳板破壞主要表現(xiàn)為銷孔與銷軸接觸區(qū)域的擠堆現(xiàn)象。

      猜你喜歡
      銷孔銷軸拉力
      支架護(hù)幫機(jī)構(gòu)寬窄桿及鉸接銷軸設(shè)計(jì)方法研究
      動(dòng)車組列車車輪超聲波檢測(cè)異常反射回波分析研究
      核電主泵聯(lián)軸器銷孔同鉆鉸工具研究及應(yīng)用
      平地機(jī)拔銷孔設(shè)計(jì)方法
      基于ANSYS分析的前輪油缸銷軸改進(jìn)
      移動(dòng)式液壓支架銷軸拆裝設(shè)備的設(shè)計(jì)及應(yīng)用
      基于CFD的螺旋槳拉力確定方法
      自不量力
      跟蹤導(dǎo)練(三)(3)
      等動(dòng)拉力和重力拉力蝶泳劃臂動(dòng)作生物力學(xué)分析
      博兴县| 北票市| 左贡县| 普洱| 类乌齐县| 娱乐| 呼图壁县| 军事| 游戏| 乐都县| 寿阳县| 青田县| 博野县| 沧源| 聂荣县| 宁南县| 巴中市| 岑溪市| 镇坪县| 镇远县| 岳池县| 钟祥市| 西平县| 兴山县| 汶上县| 沙田区| 开远市| 博爱县| 新密市| 马鞍山市| 台中县| 息烽县| 诏安县| 梁河县| 泽州县| 河源市| 金门县| 浮梁县| 德令哈市| 芦溪县| 浦城县|