新型全液压履带式装载机平衡梁的疲劳分析.pdf

⋯ l藉 l4 1 年5 丹 新型全液压履带式装载机平衡梁的疲劳分析 王建兵 ， 宋德朝 同济大学机械工程学院 ； 摘要 工程设计中疲劳分析具有很重要的意义。工程中常用的疲劳分析方法有 3 种 名义应力法 、 } 局部应力应变法和损伤容限法。 名义应力法是一种很重要的疲劳分析方法， 主要应用于高周疲劳问题。平 T I 衡梁是履带式装载机上的重要构件， 在装载机工作过程中， 平衡梁上受到的是一个循环变化的载荷， 平衡 ； t 梁的疲劳寿命直接影响整机性能。 将有限元分析得到的应力应变结果导入疲劳分析系统； 而后在疲劳分析 t i 系 统中 建立 材料的 疲劳曲 线， 并选 择或输入载荷 谱； 在选择合 适的 疲劳 损伤累 计规则后， 疲劳分析系统 便 i 自动对零件进行疲劳分析， 得到零件危险部位的寿命。以平衡梁为例 ， 论述了以通用有限元软件和疲劳分 ； 析软件为平台对平衡梁进行疲劳分析的过程。 ； 4- ．． ． 十 ． ． ． ． 。 ． 。 ． ． ．． 。 ． 。 。 。 ． ． 。 ． ． ． 关键词 疲劳分析 ； 名义应力法 ； 平衡梁 ； 有限元 ； 载荷谱 疲劳破坏是工程结构和机械失效 的主要原因之 一 ，绝大多数机械零件都工作在循环变化的载荷下， 这导致疲劳破坏成为机械零件的主要破坏形式 。一 般而言， 零件发生疲劳破坏时， 应力水平往往远小于 材料本身的屈服应力和强度极限。机械零件的疲劳 破坏往往突然发生， 导致灾难性事故， 因此开展结构 疲劳研究有着很重要的意义I l 1 。 工程中常用的疲劳分析方法有 3种 名义应力 法 、 局部应力应变法和损伤容限法[ 2 1 。其 中名义应力 法适合高周疲劳问题 ， 是应用比较广泛的方法。 名义 应力法认为两个不同形状的零件只要满足以下 3个 条件则它们 的疲劳寿命相 同 1 零件所用 的材料相 同； 2 零件的载荷谱相同 ； 3 零件最危 险部位 的应 力集 中系数相同。 使用名义应力法进行疲劳寿命计算时， 首先需 要根据载荷谱确定零件危 险部位的应力谱 ；而后采 用材料的 s 一 ／ 、 ， 曲线， 经过计算结构危 险部位 的应力 集 中系数， 结合材料的疲劳极限图， 通过插值将材料 的 ． s 一 Ⅳ曲线转换为零件的 S ～ Ⅳ曲线 ； 最后根据 由载 荷谱确定的应力谱 以及 Mi n e r 线性损伤累积规则计 算零件的寿命翻 。 1 平衡梁结构参数简介 传统履带式车辆的发动机多为前置式，其履带 行走系由张紧轮、 履带、 托链轮、 驱动轮、 支重轮和履 带张紧装置组成。张紧轮、 托链轮、 支重轮和张紧装 置都集装在一个轮架 即台车架 上 ， 而形成一个台 车 ， 每台车辆都有左 、 右两个履带台车 ， 传统履带装 载机的台车架采用八字梁摆动式 ，其平衡梁为半刚 性悬架结构 ， 左右允许摆动 4 - 3 。 ， 是 比较成熟 的结 构形式 。 改进设计的大型全液压履带式装载机工作在高 温环境下 ， 发动机需后置 ， 为了结构布置方便 ， 平衡 梁通过销轴与台车上的关节轴承连接在一起 ，关节 轴承可以万向传动，使得平衡梁端销与平衡梁之间 有一定的自由度 ，台车架上所受 的侧 向力由平衡梁 两端销来承受 ， 平衡梁就可以不停地上下摆动 ， 承受 上下的振动力。 改进后的装载机台车架如图 1 所示 。 图 1 改进后的装载机 台车架 平衡梁是装载机上的重要构件 ，它的两端连接 在行走架上 ， 中间与车架连接 ， 在装载机工作时反复 地进行升斗一卸载一降斗操作，此时作用在平衡梁 一 3 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 上的是一个循环变化的载荷 ， 其工作载荷大 、 工作频 繁 ， 而且工作条件 比较差， 平衡梁的疲劳可靠性会影 响整机的性能 ， 因此平衡梁的疲劳分析非常重要 。 该 全液压履带式装载机平衡梁的材料为 1 6 Mn ， 弹性模 量 E 2 ． 1 1 0 M P a 屈服强度 s 4 7 0 ～ 6 3 0 MP a ， 泊松 I L g o ． 2 7 5 。 2 平衡梁的疲劳分析实例 2 ． 1 基于有限元的疲劳分析过程 将有限元分析得 到的应力应变结果导入疲劳分 析系统 ；而后在疲劳分析系统 中建立材料的疲劳曲 线， 并选择或输入载荷谱 ； 在选择合适的疲劳损伤累 计规则后， 疲劳分析系统便 自动对零件进行疲劳分 析， 得到零件危险部位的寿命。 设计人员得到寿命分 析结果后， 可以根据分析结果对零件进行再设计 。 在 有限元软件和疲劳分析软件支持下， 设计人员进行 零件疲劳分析的具体过程如图 2所示 。本文运用 的 有 限元软件为 A N S Y S ， 使用 的疲劳分析软件为 MS C ． F a t i g u e。 I 几 何I -4 设 鼹 材I 』 读 入 应 力 l 赛 I 建 模I l 料 属 性I l 应 变 历 程 l t I l i l 蜀嚣 I 求解 I应力应 I I创建材料 l I } 一 变历程 r I疲劳曲线 l t t 』 l }施 晓 I I 后处理 I建立载荷谱I 后处理 I 礅简 I L I．．．．．．．．．一 有 限 元软件 疲 劳分 析 软什 图 2 疲劳分析的具体过程 2 ． 2 有限元静力分析 分析步骤 1 几何建模 本文运用 P r o ／ E建立平衡梁的几 何模型。 2 划分网格 将几何模型导人 A N S Y S中进行 有 限元分析 。为提高计算精度并减少计算量 ，采用 S o l i d 4 5 单元类型，并对局部应力分布较重要部位进 行网格 细化 。整个有限元模 型包括 6 7 1 5个节点 ， 2 8 5 4 2 个单元实体， 如图3 所示。 图3 划分网格后的平衡梁模型 3 施加边界条件和载荷根据平衡梁的工作 原理， 对平衡梁添加约束和载荷。本文主要考虑装载 机在最危险的工况下 铲斗工作时 ， 对平衡梁进行 有限元疲劳分析。忽略车架对平衡梁侧向力的作用， 仅考虑车架对平衡梁向下的作用力。平衡梁相当于 一 个简支梁， 所受到的力作用在中间圆孑 L 的下表面。 平衡梁在铲斗刚要开始脱离地面时， 所受到的力最大。 - - - - 4 0--- 4 后处理 求解后使用 A N S Y S后处理功能， 得到平衡梁应力分希隋况圈 。平衡梁等效 Mi s e s 应力 分布如图 4所示 。 图 4平衡 梁 等 效 Mi s e s应 力分 布 图 平衡梁上最 大应力位 于圆弧段和直线段交界 处 ， 较大应力点出现在加载圆孔的下边 ， 这与理论计 算结果一致。 根据参考文献[ 3 】 ， 由第 四强度理论可得 、 ／ 如 ， ] 1 强度条件 、 ／ [ 一 一 ， cr3 一 ] ≤ 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 由 图 4可得 o - 5 3 ． 4 MP a ， 将 o 5 3 ．4 MP a ， 3 4 5 MP a ， 2 ． 5代 入 2 式 可 得 5 3 ． 4 MP a 1 3 8 MP a ， 因此可以验证平衡梁在工作过 ．3 程 中， 材料处于弹性变形区 ， 可 以采用名义应力法对 平衡梁进行疲劳分析。 2 ． 3 疲劳分析过程 MS C ． F a t i g u e提供了与 A N S Y S的接 口， 在将 A N S Y S 给出的应力结果读入后， 便可以开始疲劳分析。 利用MS C ． F a t i gue 进行疲劳分析步骤如下 2 ． 3 ． 1 创建材料 材料 的 P _ Js 一 Ⅳ曲线是成组不 同存活率 P下 的 一 Ⅳ曲线集 。这一曲线集给出了 1 给定应力水平下失效 循环次数 Ⅳ的分布 数据。 2 给定有限寿命下疲劳强度 |s的分布数据。 f 3 无 限寿命 下疲劳强度 一疲劳极 限的分布 数据。 P _ S Ⅳ曲线在有限寿命阶段在对数坐标系上近 似为一条直线阎 l g ⅣP a e b e l g S 3 式中 为存活率为 P时 的疲劳寿命 ； S为应力 ， 它 对应于某一应力 比的应力幅 或最大应力值 s 一； n P 和 6 为与存活率有关的材料常数， 数值如表 1 所示。 表 1 1 6 Mn的疲劳寿命数据 强度极 存活率 ／ ％ 5 0 9 0 9 5 9 9 9 9 ． 9 限平均 3 7 ．3 9 6 3 3 3． 2 23 5 31 ． 9 28 5 2 9． 50 20 26 ． 77 9 1 值 O b _-- 5 71 MPa b P 一1 2 ．73 9 5 1 1．00 2 1 1 0 ． 51 0 O - 9． 588 1 - 8． 5 53 6 根据表 中数据 ，采取偏于安全 的存 活率 P为 5 0 ％时的 c t e 和 6 值 ，在 MS C ． F a t i gue中建立材料 的 S 一 Ⅳ曲线。 2 ． 3 ． 2 创建载荷历程 装载机铲斗在升斗一卸载一 降斗的动作 中完成 一 次循环 ， 在循环过程中载荷变化如下 铲斗受到一 个掘起力脱离地面；铲斗满载 由地面上升到最高位 置 ； 铲斗卸载降斗 。此时 ， 平衡梁上的载荷是循环变 化的。 根据载荷变化步骤 ， 在 MS C ． F a t i g u e中建立载荷 曲线 图。静态应力结果与载荷历程相乘的结果便是 平衡梁的载荷谱 。完成 以上过程后， 在 M S C ． F a t i gue 中选用 Mi n e r 线性损伤累积规则进行平衡梁疲劳寿 命计算 。 2 ． 3 ． 3 疲劳寿命估算 事实上 ，寿命最短的节点也正是 Mi s e s 应力最 大的节点 ，寿命最短的节点编号为 1 5 1 5 ， 该节点的 应力循环次数为 4 ． 5 1 1 0 次。因为每个应力循环时 间为 8 s 铲斗完成一次升降的时间大约为 8 s ， 所以 如果该装载机每天工作 1 2 h的话 ， 由计算可得该平 衡梁的疲劳寿命为 1 1 ． 4 4年。 平衡梁在正常服役期间， 最易发生疲劳破坏的位 置出现在圆弧段和直线段交界处， 其次出现在加载圆 孔的下边 ， 可以满足正常工作 1 0 年以上的要求。 3 结束语 本文通过几何建模软件 P r o ／ E、 有限元分析软件 AN S Y S与疲劳分析软件 MS C ． F a t i gue 相结合完成了 对新型全液压履带式装载机平衡梁 的疲劳分析 ， 验 证 了平衡梁工作的疲 劳可靠性。随着疲劳分析软件 的不断成熟和工程界对疲劳问题 的 日益重视 ，相信 基于有 限元 的疲劳分析方法在机械设计领域将获得 日益广泛 的应用。 参考文献 [ 1 】徐灏． 疲劳强度【 M 】 ． 北京 高等教育出版社， 1 9 9 8 ． 【 2 ]吴富民结 构疲劳强度【 M 】 ． 西安 西北工业大学出版社， 1 98 5． 【 3 】赵少 汴． 抗 疲劳设 计【 M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 1 9 9 4 ． [ 4 ]张光裕． 工程机械底 盘构造与设计【 M 】 ． 北京 中国建筑 工业 出版社 ， 1 9 8 6 ． 【 5 】张朝晖． A N S Y S工程应用范例入门与提高【 M】 ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 4 ． [ 6 ] 姚卫星． 结构疲劳寿命分析【 M】 ． 北京 国防工业出版社， 2 0 03． 通信地址 上海市嘉定区曹安公路4 8 0 0号 同济大学嘉定校 区 1 6号楼 1 - 1 0 1 3室 2 O l 8 o 4 收稿 日期 2 0 0 9 1 1 - 2 3 一 4l一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m