基于有限元的预应力陶瓷压砖机立柱疲劳寿命分析

2011-02-06吴南星陈常清

陶瓷学报 2011年3期

吴南星陈常清

（景德镇陶瓷学院机电学院，江西景德镇333403）

0 前言

疲劳是引起机械零件失效的主要原因之一[1]，由于机构疲劳事故而引起的重大灾难事故时有发生。压砖机是陶瓷工业设备中的一种重要陶瓷生产设备，它的工作环境恶劣，通常在满负荷、高频率的条件下日压制次数上万次，因此，与其它类型的液压机相比，这就对它的抗疲劳性能提出了很高的要求，立柱又是压砖机的主要部件之一，除了对其进行强度、稳定性分析外，还需要具备很强的抗疲劳能力和疲劳使用寿命[2]。

本文通过前期对预应力陶瓷压砖机的立柱结构分析得到的应力结果，利用有限元分析软件ANSYS的疲劳分析模块对其进行疲劳分析，以达到缩短研发周期，降低开发成本，为结构的优化设计提供可靠的参考，并为安全生产提供良好的预测。

1 疲劳的基本理论

1.1 ANSYS疲劳分析模块

ANSYS疲劳计算是以ASME锅炉与压力容器规范为依据，采用简化了的弹塑性假设和Miner累积疲劳准则。ANSYS软件的疲劳分析模块可以通过对现有的应力结果进行后处理来确定任何实体单元和壳单元的疲劳耗用因数（对线单元模型疲劳分析用户也可以手工输入应力）；可以在预先选定的位置上确定一定数目的事件以及这些事件中的载荷，然后保存这些位置上的应力；可以为每个位置定义应力集中系数和给每个事件定义比例因数[3]。

1.2 ANSYS疲劳分析的基本术语

ANSYS疲劳分析的基本术语为位置、事件与载荷。

（1）位置就是在有限元模型中保存的疲劳应力节点。在分析中，一般选取结构上疲劳破坏发生概率比较大的点来作为疲劳分析的位置。

（2）事件就是在特定的应力循环中显示出来的在不同时刻的应力状态情况。

（3）载荷就是一个应力状态，它是整个疲劳分析事件的一部分。

任意两个载荷之间的应力状态的差值为交变应力强度，ANSYS分析程序的交变应力强度不会因为平均应力的影响而改变。

2 分析计算

2.1 预应力陶瓷压砖机机架结构介绍

预应力陶瓷压砖机的机架结构如图1所示，钢丝缠绕型液压压砖机结构中,缠绕在机架上的钢丝是预紧件，机架中的上梁、立柱和下梁是被预紧件。在压机工作过程中，机架承受“压-压”应力状况[4]。

图1 机架结构Fig.1 Structure of the frame

图2 立柱的网格划分Fig.2 Meshing of the column

图3 立柱应力云图Fig.3 Stress contour plot of the column

表1 材料的疲劳循环次数与应力强度Tab.1 Fatigue cycle life and stress intensity

2.2 强度分析

根据立柱结构的对称性，故只需采用其1/2结构进行强度分析。网格单元类型采用solid92单元，立柱结构的网格划分结果和应力结构应力分析云图如图2、3所示。

由图3可知：立柱受到的最大von mises（合应力）应力为226MPa，它位于立柱与横梁接触的凸出部分的底部，整个立柱其它部分受到的应力较小，且为压应力，因而可以推断陶瓷压砖机在工作状态下立柱的危险截面位于立柱与横梁接触的凸出部分的底部，它是整个立柱最容易发生疲劳破坏的位置。

2.3 疲劳分析

钢丝缠绕陶瓷液压机的立柱所选用的材料为ZG310-570的铸钢，其力学性能和特性系数为：ρ= 7800kg/m3；δb=570MPa；δs=310MPa；Ep=175Pa，其S-N的循环次数和应力强度如表1所示。将表1中的数据输入到ANSYS软件的疲劳分析模块中，最后得到立柱在10000万次工作循环下的的疲劳耗损系数为0.2574，总的压制次数为9.71×107次。