W6M05Cr4V2高速钢传动轴疲劳寿命分析.pdf

W6Mo5Cr4V2高速钢传効轴劳寿命分析
口程远存口余际星口倪晓臣口卢星星
武汉理工大学材料科学与工程学院武汉430070
摘要:译细介绍了结合有限元软件 ANSYS和疲劳分析软件MSC. Fatigue对传动轴进行疲劳寿命预测的流程。分析
了W6M05Cr4V2高速钢材料性能参数对传动轴疲劳寿命的影响。结果表明:材料弹性模量对传动轴疲劳寿命影响很小,抗
拉强度对其影响較大,传动轴疲劳寿命随着抗拉强度的增加而增加。
关键词:传动轴疲劳寿命抗拉强度MSC. Fatigue
中图分类号:TH133.2
文献标识码:A
文章编号:1000-4998(2010)05-0053-03
轴是组成机械结构的重要零件之一,也是支撑轴选取和约東的加载],将荷载平均地转移到端面节点
上零件、传递运动和动力的关键部件。轴工作状况的好上,使它们对圆心的力矩和为240Nm
坏直接影响到设备的使用性能和寿命,在某些重要场
3有服元结果及分析
合,当关健的轴失效时,这个机械系统的安全性将受到
有限元模型局部等效von-mise应力云图如图2
严重影响,有时甚至发生灾难性的事故。轴类零件又是所示,在型槽圆角过渡处产生应力集中,最大应力达到
最典型的疲劳破坏零件,其破坏形式大多属于疲劳651MPa,接近传动轴的疲劳强度,因此此处为传动轴
破坏,因此开展疲劳研究有着重要的意义。
的薄弱环节。
在疲劳分析中有限元技术已经成为一种不可缺少
的分析工具。根据有限元获得的应力应变结果进行进
2传动轴疲劳寿命分析
步的疲劳寿命设计已经在一些重要的工业领域(如汽车、
采用疲劳寿命分析软件MSC. Fatigue对W6Mo5Cr4
航空、航天和机器制造等)得到成用。与基于试验的传V2高速钢传动轴进行疲劳寿命分析。由于外加最大应
统方法相比,有限元疲劳分析能减少试验的数量,缩短力未达到材料的用服强度,因此其疲劳寿命属于高周
产品的开发周期,降低开发成本,提高市场的竟争カ回。疲劳,使用S-N曲线即名义应力法进行全寿命分析
W6Mo5C4V2高速钢是一种高强度钢,具有优良这是最早形成的抗疲劳设计方法,它以材料或零件的
的室温强度、硬度和抗疲劳性能。本文通过关联有限元S-N曲线为基础,对照结构疲劳危险部位的应力集中
软件 ANSYS和疲劳分析软件MSC. Fatigue对传动轴
的疲劳寿命进行分析,为传动轴的抗疲劳设计提供重
要的参考。
传动轴模型的应力分析
▲图1传动轴结构模型
建立有限元模型
传动轴材料为W6Mo5Cr4v2高速钢,该材料的性
能参数为:弹性模量E=218CPa,泊松比A=0.3
利用有限元软件 ANSYS对传动轴进行应力分析。
采用 ANSYS自带建模功能,单元类型选择 Solid95,网
格划分采取映射网格姆分,对圆角处进行网格细分。具
体情况如图1所示。
1.2约束条件和载荷施加
传动轴主要承受扭矩作用,最大载荷约为240
Nm。施加载荷时,约東传动轴的一端,在其另一端施加
扭矩,采用端部均布加载。在加载和约束过程中,根据
模型的需要,创建了局部圆柱坐标系,这有利于节点的
收稿日期:2009年11月
▲图2von-mise应力云图
式机械制造卷第59期
2010/5
系数和名义应力,结合疲劳损伤累计理论进行疲劳寿
命分析
将 ANSYS中计算的有限元应力分析结果导入到
MSC. Fatigue程序模块屮进行疲劳寿命预测。
2.1材料信息
将材料W6Mo5Cr4V2高速钢的极限抗拉强度UTS
2100MPa和弹性模量E=218GPa输入MSC. Fatigue
程序的 PEMATM中,软件可以根据这两项基本设置自动
匹配材料疲劳性能,生成材料SーN曲线,如图3所示。
1 34
▲图5传动轴疲劳寿命结果云图
由图5可知传动轴疲劳寿命的最小位置均出现在
10ir"1z2"igx"iF"TE"E6"に「圆角过渡处,与其应力集中的节点位置刚好吻合,也就
是说在不考虑其他因素影响的条件下,传动轴的危险
▲图3W6Mo5Cr4V2的S-N曲线
点即为其最大应力集中的点,所施加的载荷越大,其疲
2荷戟信息
劳寿命就越小。
参考传动轴的实际载荷情况,选择简单的正弦载2.4材料性能参数对传动轴寿命的影响分析
荷作为传动轴的疲劳载荷,调用MSC. Fatigue软件的
影响轴类零件疲劳寿命的因素有很多,除应力集
PIME模块生成一个正弦变化的载荷时间历程,如图4中、表面状、尺寸效应和平均应力外,材料本身的特
所示。
性也极大地影响其疲劳寿命。通过设定传动轴材料不
同的抗拉强度和弹性模量进行疲劳分析,发现在其它
10I points
0 pis/see o
因素均衡的情况下,弹性模量对传动轴总寿命影响不
101 points
大。这是因为弹性模量的大小影响传动轴的扭转变形,
Full fiie data
IX
对应力大小并无影响,而疲劳全寿命是基于应力分析
at 0.25 seconds
Min出-1
的。当传动轴局部应力水平超过材料的屈服极限时,此
时疲劳属于低周疲劳,疲劳寿命基于应变分析,而弹性
R
Meau=1.75 E-8
S.D.=0.707
RMS=0.7036
模量对传动轴的应变水平影响比较大。因此弹性模量
时传动轴高周疲劳寿命影响很小,对传动轴低周疲劳
寿命影响比较显著。
材料抗拉强度与传动轴寿命之间的关系如图6所
时间/s
Sine wave. phass=0, max=l, min=-1.time=l sec
示。从图中可以得知,材料抗拉强度对传动轴疲劳寿命
影响很大。传动轴疲劳寿命随抗拉强度的增大而增大,
▲图4一个应力循环加载周期
并且增大的速率基本保持不变。在抗拉强度变化范
其最大值取1,最小值取-1,频率为1.0Hz,利用内,传动轴疲劳寿命最大值与最小值比值为3.27。因此
传动轴在最大荷载下的应力分析结果进行疲劳计算,通过常规热处理等方法提高W6Mo5Cr4V2高速钢的抗
所以疲劳载荷曲线的纵坐标相当于一个比例系数,即拉强度对传动轴的疲劳寿命有重要意义
疲劳载荷的最大值为实际的最大载荷,最小值为实际
最大载荷的-1倍。
结论
2.3疲劳寿命分析结果
(1)通过对传动轴进行有限元分析和疲劳寿命模
选择 Goodman平均应力修正方法进行疲劳计算,拟,能够得到传动轴表面的疲劳寿命分布图,并且验证
疲劳计算的结果如图5所示。
了传动轴的最小寿命点出现在应力集中位置,即型槽
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机械制造48巻第549期成