振动筛上振动横梁的疲劳应力分析

2015-05-14孙皆宜

唐山学院学报 2015年6期

孙皆宜

（唐山学院基础教学部，河北唐山063000）

0 引言

在选煤工艺中振动筛主要用于煤泥粗颗粒的脱水与脱泥，它由振动电机带动弧形筛箱体从而产生振动。在洗煤厂现场的使用过程中，有些振动筛在工作一段时间后振动横梁就会出现裂纹，且一般出现在振动电机底座附近，呈横向，破坏形式主要表现为疲劳失效。这是由于金属的表面和内部结构并不均匀，从而造成应力传递的不均衡，有的地方会形成应力集中区［1］。此外，金属内部还存在许多微小裂纹的缺陷，在交变应力的持续作用下，裂纹会越来越大，材料中能够传递应力的部分越来越少，直至剩余部分不能继续传递负载，金属构件就会被完全破坏［2］。因此，预测结构或零部件的随机疲劳寿命非常必要［3］。

疲劳寿命是机械设备的主要设计目标之一。然而在设计阶段要检验一个产品的优劣往往需要对样品进行试验，这样不仅加大了成本投入而且过程繁琐。本文将利用疲劳应力理论和有限元分析软件ANSYS－Workbench，以疲劳寿命为依据，对振动横梁在正常工作环境下的应力分布和疲劳寿命进行分析，为提高振动横梁设计和制造的可靠性提供参考。

1 疲劳应力理论分析

造成疲劳破坏的重复变化应力叫作疲劳应力，用S来表示。结构在疲劳应力的作用下产生疲劳裂纹，直至疲劳失效所承受的循环应力次数N叫作结构的疲劳寿命。表示应力幅与疲劳寿命之间关系的曲线称为疲劳曲线或S－N曲线［4］。其表达式为：

其中，m和C与材料特性、载荷的形式、零件的尺寸等因素［5］有关。式（1）两边取对数可以得到：

因此，对于某一具体结构，疲劳寿命与应力之间存在对数线性关系。

为了估算振动横梁的疲劳寿命，除了S－N曲线外，还需要借助疲劳累积理论［6］。累积理论可以概括为三种类型，即线性累积损伤理论、修正线性理论和其它理论。其中线性累计损伤理论形式简单，且有一定的精度，在工程上得到了广泛应用。线性累积损伤理论认为在各种循环载荷作用下的疲劳损伤可线性累加起来，各应力之间相互独立和互不相干，当累加损伤达到一定数值时，试件或构件就发生疲劳破坏，即：

式中D为构件的总损伤。Sk为对称循环应力，n（Sk）为在Sk作用下循环次数，N（Sk）为疲劳寿命，将式（1）代入式（3）得：

当式（4）中的D等于1时，部件发生疲劳破坏。在结构的设计中，通常采用有限元分析来预估算疲劳寿命。

2 振动梁的疲劳应力有限元仿真

ANSYS－Workbench有限元分析软件具有强大的疲劳分析功能［7－8］，通过定义疲劳载荷、材料疲劳特性，选择合适的疲劳准则，综合各种影响因素，根据等应变等损伤假设，经过雨流计数，对工作循环的载荷时间历程或局部应力－应变进行统计处理，将每个循环的疲劳损伤都计算出来，进而通过累积损伤计算预测构件的疲劳寿命。

将利用建模软件Creo建立的振动横梁的三维模型导入到Workbench中，设置材料属性为结构钢，其弹性模量E＝200 GPa，泊松比p＝0．33，屈服极限σb＝235 MPa，并利用Workbench软件对振动梁自动划分网格。在振动横梁两端添加约束。并在振动梁中间4个电机安装孔处设置对称循环载荷，如图1所示。