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        潛孔沖擊器活塞的應(yīng)力強(qiáng)度因子有限元分析

        2014-01-15 09:34:12金連富蕭志鈺
        關(guān)鍵詞:裂紋

        楊 雄,金連富,蕭志鈺

        (長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北 荊州434023)

        從大量工程現(xiàn)場(chǎng)斷裂事故中發(fā)現(xiàn),超過(guò)60%的金屬零部件的破壞與材料局部缺陷有關(guān)。這些缺陷往往在一定條件下會(huì)成為裂紋源,進(jìn)而在工作的過(guò)程中不斷擴(kuò)展,引起斷裂。由于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以完整結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度為參考依據(jù),缺乏對(duì)不完整構(gòu)件的強(qiáng)度估算,使得構(gòu)件的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的壽命[1]。在實(shí)際應(yīng)用中,大部分潛孔沖擊器活塞沿著小徑倒圓角部位斷裂,根據(jù)理化實(shí)驗(yàn)和有限元力學(xué)的分析結(jié)果,潛孔沖擊器活塞在小徑倒圓角部位存在應(yīng)力集中[2],在斷面處呈線弧狀擴(kuò)展的痕跡。因此,對(duì)含裂紋的潛孔沖擊器活塞的斷裂行為進(jìn)行分析和對(duì)斷裂參量進(jìn)行評(píng)定是十分必要的。而應(yīng)力強(qiáng)度因子是衡量裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的重要指標(biāo),也是判斷裂紋是否失穩(wěn)擴(kuò)展的重要依據(jù)。

        1 基于ANSYS求解應(yīng)力強(qiáng)度因子

        斷裂根據(jù)結(jié)構(gòu)中裂紋體的受力情況,分別為張開(kāi)型(Ⅰ型)、滑開(kāi)型(Ⅱ型)、撕裂型(Ⅲ型)。在工程實(shí)踐中存在的諸多問(wèn)題常被簡(jiǎn)化為I型處理[3]。

        經(jīng)過(guò)有限元軟件ANSYS來(lái)計(jì)算三維裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí),主要是選用“自下而上”的方式來(lái)建立裂紋體,即由點(diǎn)―線―面―體的方法來(lái)進(jìn)行模擬。除了微小的裂紋體以外,活塞的絕大部分是非裂紋體,把裂紋體與非裂紋體通過(guò)布爾運(yùn)算的overlap(搭接),使之成為一個(gè)連續(xù)體并且有共同的邊界。

        首先,選擇Mesh200單元對(duì)裂紋表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分,然后,選擇SOLID95奇異單元,通過(guò)掃描對(duì)整個(gè)裂紋體進(jìn)行網(wǎng)格劃分[4]。

        活塞沖擊鉆頭時(shí),與鉆頭發(fā)生接觸,即活塞下端表面與鉆頭上表面接觸。選擇自動(dòng)單觸點(diǎn)接觸式(ASSC自動(dòng)單面)。模擬活塞碰撞后反彈的全過(guò)程,設(shè)置活塞在鉆頭上方5mm的位置,并給活塞施加一個(gè)初速度,并設(shè)定這個(gè)速度在5mm運(yùn)行期間內(nèi)不變,整個(gè)分析時(shí)間取為0.001s,分析時(shí)間步長(zhǎng)20μs[5]。建立局部坐標(biāo)系時(shí),裂紋前緣要與局部直角坐標(biāo)系的X軸相垂直,裂紋面要與Y軸垂直。當(dāng)執(zhí)行KCALC命令時(shí),該坐標(biāo)系必須是激活的模型坐標(biāo)(CSYS),并且是結(jié)果坐標(biāo)系[6]。

        2 求解結(jié)果及分析

        2.1 裂紋處于不同位置、不同裂紋長(zhǎng)度的應(yīng)力強(qiáng)度因子

        由于活塞內(nèi)孔直徑為28.6mm,外圓直徑為65 mm,所以活塞厚度為裂紋內(nèi)孔表面的距離,a/t分別取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9。針對(duì)每個(gè)深度,裂紋長(zhǎng)度分別取0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2 mm、1.4mm、1.6mm,通過(guò) ANSYS進(jìn)行運(yùn)算,得出結(jié)果如表1所示。

        表1 不同位置裂紋長(zhǎng)度的應(yīng)力強(qiáng)度因子

        圖1 不同深度長(zhǎng)度的裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子變化曲線

        從圖1可知,裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨裂紋位置與裂紋長(zhǎng)度的變化曲線基本一致,都呈現(xiàn)U型的特性。當(dāng)活塞長(zhǎng)度一定,裂紋處于活塞厚度的中間位置時(shí),應(yīng)力強(qiáng)度因子最小,裂紋越靠近內(nèi)外表面時(shí),應(yīng)力強(qiáng)度因子隨之增大,而且靠近外表面位置比靠近內(nèi)表面的裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子大;當(dāng)同一位置的裂紋隨著裂紋長(zhǎng)度的增加而增大,而且裂紋越長(zhǎng),應(yīng)力強(qiáng)度因子增加的幅度越大。

        2.2 內(nèi)孔直徑、倒圓角半徑和沖擊末速度對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響

        應(yīng)力強(qiáng)度因子還與潛孔沖擊器活塞的幾何結(jié)構(gòu)和實(shí)際工況有關(guān)[7]。在活塞的幾何結(jié)構(gòu)中,影響活塞壁厚的內(nèi)孔直徑和小徑處的倒圓角半徑是最為關(guān)鍵的因素,實(shí)際工況不同主要反映在活塞的沖擊末速度上。在a/t=0.9處,分別計(jì)算了在7~12m/s的沖擊末速度下,內(nèi)孔直徑分別為24.6~34.6mm和倒圓角半徑分別為14~16mm情況下的應(yīng)力強(qiáng)度因子值如表2所示,分析結(jié)果見(jiàn)圖2-4。

        表2 不同條件下的應(yīng)力強(qiáng)度因子值

        圖2 應(yīng)力強(qiáng)度因子隨倒圓角半徑和內(nèi)孔直徑的變化曲線

        圖3 應(yīng)力強(qiáng)度因子隨沖擊末速度和內(nèi)孔直徑的變化曲線

        由圖2可見(jiàn),裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子呈隨著倒圓角半徑的增大而減小和隨著內(nèi)孔直徑的增大而增大的變化趨勢(shì)。其中,當(dāng)內(nèi)孔直徑不大于28.6mm時(shí),應(yīng)力強(qiáng)度因子在倒圓角半徑15~16mm變化區(qū)間比較敏感,即倒圓角半徑由16mm減小到15mm時(shí),應(yīng)力強(qiáng)度因子快速增大。

        圖3是在倒圓角半徑為16mm情況下的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨沖擊末速度和內(nèi)孔直徑的變化曲線,其反映了應(yīng)力強(qiáng)度因子隨沖擊末速度的增大而發(fā)生不同程度的增大,并且隨著內(nèi)孔直徑的增大出現(xiàn)了拐點(diǎn)右移的現(xiàn)象:壁厚越小,對(duì)于沖擊末速度的變化而引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化幅度越大,并且隨著壁厚的減小,引起應(yīng)力強(qiáng)度因子快速變化的沖擊末速度也逐漸減小(拐點(diǎn)右移)。內(nèi)徑分別為30.6~34.6mm,26.6~28.6mm、24.6mm,引起應(yīng)力強(qiáng)度因子快速變化的沖擊末速度為8m/s、9m/s和10m/s。

        圖4 應(yīng)力強(qiáng)度因子隨沖擊末速度和倒圓角半徑的變化曲線

        由圖4可知,應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著沖擊末速度的增大而增大,隨著圓角半徑的增大而減小。當(dāng)?shù)箞A角半徑大于16mm時(shí),其在各個(gè)沖擊末速度下的應(yīng)力強(qiáng)度因子都高于倒圓角半徑為16mm時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度因子,應(yīng)力強(qiáng)度因子在沖擊末速度達(dá)到10m/s后才增大24.1%;而倒圓角半徑為16mm時(shí),應(yīng)力強(qiáng)度因子在沖擊末速度達(dá)到9m/s后就急劇增大54%;當(dāng)?shù)箞A角半徑大于16mm時(shí),應(yīng)力強(qiáng)度因子呈現(xiàn)現(xiàn)象變化趨勢(shì),而且17mm的倒圓角半徑與18 mm的倒圓角半徑時(shí)其應(yīng)力強(qiáng)度因子值相當(dāng)接近。

        3 結(jié)論

        1)裂紋處于潛孔沖擊器活塞外表面時(shí)影響最大。

        2)計(jì)算出在a/t=0.9處,分別在7~12m/s的沖擊末速度下,內(nèi)孔直徑分別為24.6~34.6mm和倒圓角半徑分別為14~16mm情況下的應(yīng)力強(qiáng)度因子。當(dāng)內(nèi)孔直徑不大于28.6mm,倒圓角半徑在15~16mm時(shí),應(yīng)力強(qiáng)度因子變化大;應(yīng)力強(qiáng)度因子都隨沖擊末速度的增大而發(fā)生不同程度的增大,并且隨著內(nèi)孔直徑的增大出現(xiàn)了拐點(diǎn)右移的現(xiàn)象。當(dāng)?shù)箞A角半徑大于或等于16mm時(shí),應(yīng)力強(qiáng)度因子都發(fā)生較大幅度的增大。

        3)措施:a)加強(qiáng)對(duì)外表面內(nèi)部1~2mm處位置的裂紋檢測(cè);b)潛孔沖擊器活塞結(jié)構(gòu)優(yōu)化,適當(dāng)減小內(nèi)孔直徑至26.8mm,小徑處倒圓角半徑增大至17 mm為佳;c)沖擊末速度控制在7m/s為宜。

        [1] 瞿偉廉,魯麗娟,李 明.工程結(jié)構(gòu)三維疲勞裂紋最大應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算[J].地震工程與工程振動(dòng),2007,27(06):58-60.

        [2] 陳俊宇,徐人平,張海敏.液壓沖擊器活塞的非線性有限元分析 [J].南方金屬,2009(06):15-17.

        [3] 中國(guó)航空研究院編著.應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊(cè)(增訂版)[M].北京:科學(xué)出版社,1993:181-205.

        [4] 石海燕.活塞疲勞失效的力學(xué)分析[D].山東:山東理工大學(xué),2008.

        [5] 詹 軍,殷 坤,于清楊,曾建華.風(fēng)動(dòng)沖擊器活塞沖擊末速度的有限元研究 [J].煤田地質(zhì)與勘探,2003,31(06):58-60.

        [6] 王 鋒.三維應(yīng)力強(qiáng)度因子分析及干涉預(yù)應(yīng)力影響研究 [D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2007.

        [7] 高麗穩(wěn),周志鴻.沖擊機(jī)械活塞強(qiáng)度研究現(xiàn)狀[J].工程機(jī)械,2005(01):37-49.

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