宋繼順，謝 潔，李 森

(1.天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384;2.天津理工大學(xué)天津市光電顯示材料與器材重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384;3.天津市天鍛壓力機(jī)有限公司，天津 300142)

0 前言

現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展遵循的理念是節(jié)能、環(huán)保、安全，汽車輕量化作為行之有效的節(jié)能減排手段成為了汽車工業(yè)發(fā)展的趨勢。高強(qiáng)鋼以其高減重潛力、高碰撞吸收能、高疲勞強(qiáng)度、高成型性及低平面各向異性等優(yōu)勢，已經(jīng)成為汽車工業(yè)輕量化的主要材料。試驗(yàn)表明，汽車質(zhì)量每減少10%，油耗可降低3% ～8%［1］，汽車中成形性相對復(fù)雜、強(qiáng)度級別較高且對舒適性、安全性要求較高的零件都采用了高強(qiáng)鋼板，尤其是在汽車AB柱、前后門防撞梁等方面獲得了較廣泛應(yīng)用。高強(qiáng)鋼板的熱成形作為兼顧輕量化與碰撞安全性以及高強(qiáng)度下沖壓件回彈與模具磨損等問題而滿足生產(chǎn)發(fā)展需要的先進(jìn)工藝技術(shù)而備受關(guān)注，與之相對應(yīng)的快速熱壓成型液壓機(jī)的性能也越來越備受關(guān)注。

由于熱壓成型工藝的特殊性，快速熱成型液壓機(jī)在連續(xù)工作的情況下要求保持很高的穩(wěn)定性和可靠性。在快速熱成型液壓機(jī)結(jié)構(gòu)中，支柱是主要的支承件和受力件，不但要支撐上梁與油缸，穩(wěn)固機(jī)身，還要承受工作拉力，且對活動(dòng)橫梁起導(dǎo)向作用，保證活動(dòng)橫梁水平，防止模具壓偏。結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及疲勞性能對整機(jī)的安全和產(chǎn)品的質(zhì)量有著決定性的影響［2］。設(shè)計(jì)時(shí)要求支柱有足夠的強(qiáng)度和剛度且導(dǎo)向表面有足夠的精度、光潔度和必要的硬度，且液壓機(jī)主要零部件大多是在承受多次交變載荷之后而疲勞破壞的，快速熱成型液壓機(jī)在連續(xù)工作時(shí)頻率高達(dá)5000次/日以上，因此，疲勞壽命分析在液壓機(jī)本體設(shè)計(jì)中具有重要意義，選用YT25-1000液壓機(jī)支柱為研究對象，在考慮疲勞影響因素下，針對該液壓機(jī)考慮保壓時(shí)間的影響，為液壓機(jī)的安全運(yùn)行和機(jī)架的設(shè)計(jì)提供較可靠的理論依據(jù)。

1 快速熱成型液壓機(jī)結(jié)構(gòu)

YT25-1000快速熱成型液壓機(jī)主要由機(jī)身、油缸、液壓系統(tǒng)、活塞式蓄能器、電氣控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)及其他輔助部件組成。動(dòng)力系統(tǒng)由高壓油泵、調(diào)壓閥、油箱等組成，為液壓機(jī)提供可控制的液壓動(dòng)力源。電氣控制系統(tǒng)由電氣箱、PLC、觸摸屏、報(bào)警系統(tǒng)等組成。圖1為YT25-1000快速熱成型液壓機(jī)外觀圖。

圖1 YT25-1000快速熱成型液壓機(jī)外觀圖Fig.1 Appearance of YT25-1000 rapid hot hydraulic press

機(jī)身采用拉桿預(yù)緊組合框架式機(jī)架，由上橫梁、滑塊、下橫梁、立柱、拉桿等組成。其主要結(jié)構(gòu)件采用鋼板焊接而成，經(jīng)高溫退火消除內(nèi)應(yīng)力，這種結(jié)構(gòu)的機(jī)架剛性比較好。組合框架式機(jī)架避免了由于單個(gè)構(gòu)件體積龐大而導(dǎo)致的加工困難問題，便于制造、運(yùn)輸和安裝，但是在工作過程中，機(jī)架整體性、各組件之間的接觸狀態(tài)和載荷傳遞等都會引起機(jī)架的局部變形和應(yīng)力集中，易于發(fā)生疲勞破壞。

機(jī)架在安裝時(shí)，4根拉桿在總壓力超過公稱壓力的1.1倍的情況下使液壓機(jī)加載，拉桿由于超載受到拉力作用，產(chǎn)生彈性伸長，此時(shí)擰緊螺母保證機(jī)架的整體性。預(yù)緊時(shí)，由拉桿和緊固螺母將上下橫梁、支柱預(yù)緊，組成一個(gè)整體，使各構(gòu)件相擠壓緊密貼合在一起。如果預(yù)緊參數(shù)不合理，將發(fā)生開縫現(xiàn)象，影響接觸面之間的力流傳遞［3-4］，在接觸區(qū)域產(chǎn)生局部應(yīng)力集中。反復(fù)加載會導(dǎo)致機(jī)架發(fā)生疲勞破壞，降低機(jī)架使用壽命。

2 有限元模型建立

為了使模擬結(jié)果更加接近實(shí)際工況，采用SolidWorks軟件對YT25-1000快速熱成型液壓機(jī)進(jìn)行耦合的方式建立三維實(shí)體，再通過ANSYS Workbench軟件數(shù)據(jù)接口調(diào)用三維模型進(jìn)行有限元建模，并劃分網(wǎng)格，選擇ANSYS Workbench默認(rèn)網(wǎng)格，對圓角處、拉桿根部、接觸部位等關(guān)鍵受力部分進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化以提高計(jì)算精度，共劃分單元112 747個(gè)，節(jié)點(diǎn)226 582個(gè)。建立的有限元模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 液壓機(jī)的有限元網(wǎng)格劃分模型Fig.2 Finite element mesh model of a hydraulic press

材料屬性定義為線彈性、各向同性且不隨溫度變化。模型各部件具體材料參數(shù)如表1所示。采用Fixed Support命令約束左、右支柱地腳螺釘處的x、y、z方向自由度。并且在油缸安裝位置施加相應(yīng)的邊界條件，可按照滿載工作時(shí)的實(shí)際受力，在工件進(jìn)行壓制時(shí)，在主油缸內(nèi)側(cè)平面上施加35 MPa的壓力，在柱塞上端施加35 MPa的壓力，并在拉桿處施加275 kN預(yù)緊力。

表1 材料的性能參數(shù)Tab.1 Material performance parameters

3 模擬結(jié)果及分析

有限元疲勞分析應(yīng)在取得強(qiáng)度分析應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上，再以材料的疲勞特性為依據(jù)進(jìn)行疲勞計(jì)算［5］。本文首先對液壓機(jī)的支柱進(jìn)行強(qiáng)度分析，并在此基礎(chǔ)上對液壓機(jī)支柱的疲勞壽命進(jìn)行分析計(jì)算。

3.1 支柱靜態(tài)有限元分析

經(jīng)有限元分析計(jì)算，支柱在滿載工況下的位移云圖如圖3所示。從圖中可知，加載后，支柱最大位移為2.6068 mm，出現(xiàn)在與上橫梁接觸部位的薄板處;最小位移為0 mm，出現(xiàn)在與下橫梁接觸部位。

圖3 支柱位移云圖Fig.3 Displacement cloud of pillar

圖4為支柱等效應(yīng)力云圖，圖5是支柱最大等效應(yīng)力云圖局部放大圖。從圖4、5中可以看出，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)的位置與最大位移位置相同，都在支柱與上橫梁接觸部位的薄板處，最大應(yīng)力為48.414 MPa，對最大等效應(yīng)力點(diǎn)靜強(qiáng)度校核，取安全系數(shù)n=2，許用應(yīng)力為:［σ］s=σs/n=235/2=117.5 MPa。根據(jù)第四強(qiáng)度理論校核，σeqvmax=48.414 MPa≤［σ］s=117.5 MPa，滿足靜載設(shè)計(jì)要求。圖6、圖7為支柱等效應(yīng)變云圖及其放大圖。圖中最大等效應(yīng)變發(fā)生部位與最大等效應(yīng)力相同，其值為2.42×10－4mm/mm。

由于高應(yīng)力區(qū)容易在加載過程中發(fā)生塑性變形而導(dǎo)致屈服失效;應(yīng)力集中區(qū)在反復(fù)加載過程容易引發(fā)裂紋萌生，產(chǎn)生疲勞破壞;構(gòu)件之間接觸位置在聯(lián)接不對齊或不連續(xù)的情況下會導(dǎo)致高應(yīng)力或應(yīng)力集中。通過對支柱位移云圖、應(yīng)力應(yīng)變云圖的分析，應(yīng)對支柱接觸部位重點(diǎn)監(jiān)測，防止發(fā)生疲勞破壞。

3.2 支柱疲勞有限元分析

運(yùn)用Workbench中疲勞分析模塊，輸入金屬材料S-N曲線，根據(jù)載荷譜、定義名義應(yīng)力修正理論完成疲勞壽命計(jì)算［6］。疲勞壽命分析中有限壽命設(shè)計(jì)的核心問題是疲勞累計(jì)損傷，工程中廣泛使用的疲勞累計(jì)損傷理論為Palmgren-Miner 法則［7］。

等幅載荷下，n個(gè)循環(huán)造成的損傷

式中，n為循環(huán)次數(shù)，N為循環(huán)破壞壽命。

變幅載荷下，n個(gè)循環(huán)造成的損傷為

其中，ni為第i個(gè)應(yīng)力水平的循環(huán)次數(shù);Ni為第i個(gè)應(yīng)力水平的循環(huán)破壞壽命。

n個(gè)循環(huán)造成的疲勞累計(jì)損傷到1認(rèn)為材料疲勞強(qiáng)度失效。用1.0×105次循環(huán)作為設(shè)計(jì)壽命值來分析疲勞。

疲勞分析的關(guān)鍵，首先在于準(zhǔn)確的材料疲勞特性，主要包括材料的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線、S-N曲線、E-N曲線等數(shù)據(jù)。本文所需最主要的材料信息是S-N曲線，S-N曲線表示外加應(yīng)力水平和標(biāo)準(zhǔn)試樣疲勞壽命之間的關(guān)系曲線。Q235A的S-N曲線如圖8所示。

圖8 Q235A的S-N曲線Fig.8 S-N curve of Q235A

圖9為支柱疲勞壽命云圖。Life等值線顯示由于疲勞作用直到失效的循環(huán)次數(shù)，零部件在一定的應(yīng)力作用下，若循環(huán)次數(shù)超過了106次，則稱其為無限壽命［8］;從圖10中可以看出，支架疲勞壽命均勻，達(dá)到1.0×10次，為無限壽命。

圖9 支柱Life(壽命)圖Fig.9 Life of pillar

圖10 支柱D(損傷)云圖Fig.10 Damage cloud of pillar

圖11為支柱疲勞安全系數(shù)云圖，圖12為安全系數(shù)最小值放大圖。安全系數(shù)等值線是關(guān)于一個(gè)在給定設(shè)計(jì)壽命下的失效。從圖11、12疲勞安全系數(shù)云圖可以看出，支柱的最小安全系數(shù)分布與其最大應(yīng)力位置基本相同。支柱整體安全系數(shù)處于4.709 9～10之間，最小安全系數(shù)其值仍大于1，支柱設(shè)計(jì)偏安全。

圖11 疲勞安全系數(shù)云圖Fig.11 Fatigue safety factor cloud of pillar

圖12 支柱最小安全系數(shù)放大云圖Fig.12 Enlargement minimum safety factor cloud of pillar

不論采用何種疲勞強(qiáng)度失效評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在相同設(shè)計(jì)壽命前提下，支柱疲勞失效面積小，關(guān)鍵區(qū)域未出現(xiàn)疲勞失效現(xiàn)象，支柱達(dá)無限壽命。實(shí)際工況對支柱疲勞失效影響不大，說明支柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足疲勞強(qiáng)度要求，數(shù)值模擬具有一定指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

(1)基于Workbench對YT25-1000快速熱成型液壓機(jī)進(jìn)行設(shè)備-模具耦合靜態(tài)分析，得到支柱變形情況及應(yīng)力應(yīng)變分布，確定支柱易發(fā)生疲勞破壞的部位，在實(shí)際生產(chǎn)過程中重點(diǎn)監(jiān)測。

(2)結(jié)合疲勞壽命理論與ANSYS Workbench疲勞分析模塊數(shù)值模擬，得出支柱在給定設(shè)計(jì)壽命值下的實(shí)際最小壽命、最大損傷、最小安全系數(shù)范圍，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

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