锻造操作机钳臂结构疲劳分析

论文摘要

统计显示机械零件的破坏有50%～90%均为疲劳破坏。对重载操作装备而言,由于其结构尺寸大、经历的载荷工况复杂、疲劳热点应力区域不易确定,给疲劳寿命的分析与预测造成困难。因此,运用有限元仿真分析技术对重载操作装备关键构件的疲劳性能进行分析与评估具有重要意义。锻造操作机是典型的重载操作装备,是万吨液压机的主要配套设备,其钳臂结构经常发生疲劳断裂事故,为了全面了解钳臂结构的疲劳性能,本文首先对疲劳问题的发展历史、有限元疲劳分析的研究现状、锻造操作机疲劳分析中存在的问题进行了论述,接着对抗疲劳设计方法、单轴与多轴疲劳分析相关理论方法和结构疲劳强度的影响因素进行了归纳总结,然后依据锻造操作机承受的最大载荷发生在锻造过程的实际,对锻压中的主要工序拔长进行了显式非线性动力学仿真,得到了钳臂结构疲劳分析所需要的载荷谱,最后利用有限元疲劳分析的方法建立了操作机关键构件疲劳分析的流程体系,并对钳臂结构进行了从整体到细节,从疲劳裂纹萌生到疲劳裂纹扩展,从不考虑缺陷到考虑缺陷的较全面的疲劳分析,得到的主要结论如下:（1）显式非线性动力学分析可以对锻压的工序进行较真实的仿真,不仅可以得到位移、应力等重要信息,还能得到锻件对操作机的作用力,并将此作为操作机钳臂结构疲劳分析的载荷谱输入;（2）整体的应力寿命分析可以确定结构的危险工况和危险部位,对钳臂结构而言,最危险拔长工况为矩形截面锻件且锻压位置最靠近操作机的工况,危险部位发生在应力集中的拐角处;（3）多轴疲劳评估的结果表明钳臂结构危险部位承受的是多轴比例载荷,应当应用Hoffman-Seeger的双轴模型对应力应变进行修正;结构本身存在的缺陷对疲劳寿命有很大影响,应当采取措施严格控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题的科学意义和应用前景
• 1.2 相关理论方法的研究现状
• 1.2.1 疲劳发展综述
• 1.2.2 有限元疲劳分析现状
• 1.2.3 重载操作装备与锻压领域疲劳分析现状
• 1.3 本文主要工作
• 2 疲劳分析的基本理论和方法
• 2.1 疲劳的分类
• 2.2 疲劳设计方法
• 2.3 疲劳分析方法
• 2.3.1 单轴疲劳分析方法
• 2.3.2 多轴疲劳分析方法
• 2.3.3 疲劳裂纹扩展分析
• 2.4 影响疲劳性能的因素
• 2.5 小结
• 3 锻压过程仿真与载荷谱获取
• 3.1 锻压工艺介绍
• 3.2 塑性成形有限元方法
• 3.3 ANSYS/LS-DYNA软件介绍
• 3.3.1 显式求解与隐式求解对比
• 3.3.2 显式动力单元
• 3.3.3 沙漏控制
• 3.3.4 接触算法
• 3.4 锻压过程仿真
• 3.4.1 有限元模型的建立
• 3.4.2 接触定义
• 3.4.3 载荷工况
• 3.4.4 结果分析
• 3.5 载荷谱获取
• 3.6 小结
• 4 锻造操作机钳臂疲劳分析
• 4.1 疲劳分析流程体系
• 4.1.1 多轴疲劳评估
• 4.1.2 应力应变分析
• 4.1.3 弹塑性修正方法
• 4.1.4 循环计数法
• 4.1.5 疲劳累积损伤法则
• 4.2 钳臂结构载荷工况
• 4.3 钳臂结构有限元分析
• 4.4 钳臂结构疲劳分析
• 4.4.1 整体应力寿命分析
• 4.4.2 危险工况的细节疲劳裂纹萌生寿命分析
• 4.4.3 含缺陷情况下的疲劳裂纹扩展分析
• 4.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 主要符号表
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢