FE-SAFE的液压扳手连杆疲劳寿命仿真分析.pdf

2015年2月
机械设计与制造工程
Feb.2015
第44卷第2期
Machine Design and Manufacturing Engineerin
Vol 44 No. 2
DOL:10.3969/j.is.2095-509X.2015.02.009
基于 ANSYS/FE-SAFE的
液压扳手连杆疲劳寿命仿真分析
杨金平,于忠海2
1.上海理工大学机械工程学院,上海200093)
(2.上海电机学院机械学院,上海200245)
摘要:使用UG软件对液压扳手进行三维建模,分析关键部件连杆在工作中所受的载荷,通过AN-
SYS软件与FE-SAFE软件的结合,对液压扳手连杆在工作时所受的交变载荷进行仿真并计算出
其使用寿命。仿真结果与试验数据的对比结果表明,该仿真分析方法可靠,可为液压扳手其他零
部件的疲劳寿命分析提供一种可行的思路。
关键词:液压扳手;连杆疲劳寿命; ANSYS/FE-SAFE;仿真
中图分类号:TH164
文献标识码:A
文章编号:2095-509X(2015)02-0035-03
我国是全球第一制造业大国,但竞争力却远低UG建立液压扳手的三维模型(如图1所示),然后
于发达国家。国产产品大多以经验设计或仿造为将关键部件连杆(如图2所示)导人 ANSYS,利用
主,在可靠性和耐久性方面缺乏保证,这也是与工FE-SAFE对连杆进行疲劳寿命分析。
业发达国家产品存在差距的一个重要原因。我国
正处于从制造大国向制造强国的转型期,逐渐从仿
造走向创新设计,因而在设计过程中对产品的疲劳
寿命进行仿真分析显得尤为重要。
机械零件的3类主要破坏形式是腐蚀、磨损及
断裂,同时这也是机械零件失效的3个主要因
素。其中腐蚀和磨损过程缓慢,通过定期维修
或更换零件就可以解决,而断裂经常是突然发生
的,常常导致严重的设备事故和人身伤害,所以工
程界更加重视痃劳断裂破坏
图1液压扳手
1液压扳手及其连杆模型的建立
随着我国不断前进的工业化步伐,大型机械设
备使用得越来越广泛。一些大型设备的制造由于
加工、装配、运输、维修等原因无法制成一体,必须
制成几个分体或部件,然后通过大直径高强度螺栓
连接装配成一体,使其完成设计者预期的功能。这
图2液压扳手连杆
些螺栓在设备工作期间起着保持设备完整性的关
键作用,其失效造成的后果和损失往往是不可估量2关于 ANSYS/FE-SAFE软件及其算法
的,液压扳手就是为这些关键螺栓的上紧和拆卸专
选择
门设计的提供可控预紧力的液压螺栓工具。利用
ANSYS-SAFE是 ANSYS公司与英格兰的安
收稿日期:2015-01-19
作者简介:杨金平(1987ー),男,江西上饶人,上海理工大学硕士研究生,主要研究方向为液压工具的可靠性。
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2015年第44卷
机械设计与制造工程
全技术公司紧密合作的产品,FE-SAFE模块是专螺栓所需的扭矩。
用的高级疲劳分析模块,具有友好的用户界面。它
液压扳手连杆为锻件,材质为40CrMo,其弹性
与许多有限元软件和后处理器都有数据接口,可方模量为2.12x10°MPa,泊松比为0.28。实体网
便地进行疲劳分析的数据准备,所输入的材料数格划分选用 Solid Brick8node_185单元,为保证足
据、载荷及载荷组合数据均可图形化显示。AN-够的计算精度,尺寸等级选为4,网格划分结果如
SYS/FE-SAFE先进的疲劳计算技术,具有很高的图3所示。液压扳手的工作压力高达70MPa。根
精度,对各类非金属、金属及合金等材料都适用。据液压扳手的结构特点和实际约束情况,对连杆球
ANSYS,/FE-SAFE模块包含单轴应力、正应铰接处采用完全约東,使得刚性位移消除。
变、 Von Mises应变、 Brown- Miller等多种疲劳损伤
AN
模型。在实际问题中,单轴数据出现得比较少,一
般选用多轴算法。多轴算法可使用局部应变材料
参数及材料的S-N曲线来完成。多轴算法是
种临界平面算法,当使用弹性应力时,可提供多轴
弹塑性修正。应力和应变被分解到一系列平面上,
这些平面以10°间隔交叉扫描2。在每个平面上
获得疲劳循环,并对平均应力进行修正,最终通过
计算得到疲劳寿命。该方法使用剪应变与直接应
变的合成值以及下面方程所定义的寿命曲线
2+2==165%(2N)+1.75e(2N)
图3液压扳手连杆网格划分
式中:△y,△8。为临界面上的剪应变和正应变的微
通过 ANSYS计算,将结果保存为rst格式文件,
分;0r为疲劳强度系数的导数;E为材料的弹性模其等效应力云图如图4所示。从图4可以看出,连杆
量:s为疲劳延性系数的导数;N为疲劳寿命;b为最大应力值为317MPa,位置在孔销连接处。
疲劳强度指数;c为疲劳延性指数。
写0DAE当
3 ANSYS/FE-SAFE的仿真过程
ANSYS与FE-SAFE软件相结合的疲劳寿命
仿真过程主要包括以下几个步骤:
a.有限元计算。通过 ANSYS软件对部件进行
网格划分及有限元分析,得到相应的结果文件。
b.有限元结果读入。进入FE-SAFE软件工
作界面,调入有限元结果,并确认有限元文件的单
位制。
C.疲劳载荷定义。进人载荷编辑器,定义疲劳
24+
载荷的历程系数。
图4液压扳手连杆等效应力云图
d.材料疲劳参数定义。在材料库中点击所需
材料,也可以通过材料的疲劳特性参数自行定义。
5疲劳分析结果
e.疲劳计算。计算设置强度因子FOS,并点击
将 ANSYS有限元分析结果导入E-SAFE软
Analyse开始计算。
件进行疲劳分析,E-SAFE生成的疲劳分析结果
f.疲劳计算结果查看。回到 ANSYS界面,选也是rst格式的文件,相应的疲劳寿命云图需要通
择疲劳计算结果文件进行查看。如果结果不符合过ANS)S的后处理模块来读取。如图5(a)所示。
设计要求,可进行相应的优化设计。
通过云图可以发现,疲劳破坏的位置出现在销
孔连接处,而其他部位疲劳寿命都大于1×10次。
4液压扳手的 ANSYS静强度分析
在实验过程中也发现,出现疲劳破坏的位置都在销
液压扭矩扳手是以液压为动力源,通过液压推孔连接处。因此,为了清楚地显示连杆破坏的具体
力缸推动摇臂,带动棘轮机构旋转,从而输出拆装位置及相应的对数疲劳寿命,将销孔位置放大显