吳家雄,李 震

1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010 2.滄州師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,河北 滄州 061000

基于平模?？捉Y(jié)構(gòu)參數(shù)的疲勞壽命分析

吳家雄1,2,李 震1*

1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010 2.滄州師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,河北 滄州 061000

平模作為平模成型機(jī)的關(guān)鍵零件，具有易磨損、疲勞壽命低的特點(diǎn)。本文以ZL-300型平模成型機(jī)為研究對(duì)象，使用三維建模軟件Solidworks建立平模的三維模型，利用有限元分析軟件ABAQUS、疲勞壽命分析軟件FE-SAFE軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，模擬平模的靜力學(xué)強(qiáng)度和疲勞壽命，研究?？椎菇牵?50、450、550）、長(zhǎng)徑比（5:1、5.5:1、6:1）對(duì)平模疲勞壽命的影響，得到靜力學(xué)分析的應(yīng)力最大值與疲勞分析的循環(huán)次數(shù)最小值位置基本相同，模孔邊緣位置處疲勞壽命較低，當(dāng)平模倒角為350、長(zhǎng)徑比為6:1時(shí)，平模的疲勞壽命較高。

生物質(zhì);平模;ABAQUS;FE-SAFE

生物質(zhì)能源是繼石油，煤，天然氣之后的第四大能源，同時(shí)是可以再生、種類豐富、環(huán)境污染小的新型綠色能源，對(duì)改善能源結(jié)構(gòu)以及環(huán)境的友好發(fā)展都具有重要的意義[1]。

生物質(zhì)利用的技術(shù)一般分為3種途徑，物理轉(zhuǎn)化、化學(xué)轉(zhuǎn)化和生物轉(zhuǎn)化，其中物理轉(zhuǎn)化以其原料適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)品儲(chǔ)存使用方便成為研究的重點(diǎn)[2]。目前，生物質(zhì)致密成型設(shè)備主要分為3類，活塞沖壓式、螺旋擠壓式和壓輥式，其中壓輥式成型機(jī)以其效率高、能耗低的特點(diǎn)，成為目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)機(jī)型。

生物質(zhì)顆粒燃料平模成型機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、方便移動(dòng)、原料適應(yīng)廣等特點(diǎn)，成為了當(dāng)下研究開發(fā)的熱點(diǎn)。平模是平模成型機(jī)的核心部件，也是最容易造成疲勞破壞的部件，平模的結(jié)構(gòu)、?？椎牡菇?、?？椎目讖奖榷加绊懼侥５氖褂脡勖１疚囊訸L-300型平模成型機(jī)的實(shí)際尺寸為基礎(chǔ)[3]，利用Solidworks建立平模的三維模型，并通過ABAQUS、FE-SAFE對(duì)其靜力學(xué)和疲勞壽命分析進(jìn)行聯(lián)合模擬。

?

1 平模的三維模型建立

根據(jù)ZL-300型平模成型機(jī)的實(shí)際尺寸，使用三維建模軟件Solidworks分別建立倒角為（350、450、550）、長(zhǎng)徑比（5:1、5.5:1、6:1）的9組平模三維模型，?？字睆綖? mm，分為5排，交錯(cuò)排列?？紤]到平模的對(duì)稱性，?？着挪贾芷谛?，取平模的1/2建模并作為研究對(duì)象，進(jìn)行靜力學(xué)及疲勞壽命分析[3]。

2 平模的有限元靜力學(xué)分析

ABAQUS是功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，可以模擬復(fù)雜的模型，有效的分析固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)問題，以及高度非線性問題，在各國(guó)的工業(yè)和研究中得到廣泛的應(yīng)用。

（1）本文選用低碳合金鋼20CrMnTi作為平模的材料，材料參數(shù)如下表所示[4,5]。

表2 20CrMnTi材料參數(shù)Table 2 Material parameters of 20CrMnTi

（2）根據(jù)平模的裝配情況，對(duì)平模的中心孔施加位移約束，平模的截面施加對(duì)稱約束。根據(jù)試驗(yàn)研究[4]，當(dāng)鋸末粒度為1～2 mm，含水率為15%，擠壓力為20 MPa時(shí)，成型密度為1.1 g/cm3，成型效果較好，所以對(duì)模孔分布的環(huán)形曲面上施加20 MPa的正應(yīng)力和6 MPa由摩擦力（摩擦系數(shù)為取0.3）造成的表面切向應(yīng)力[6,7]，如圖2所示。單元類型選擇C3D8R三維應(yīng)力單元，八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元，減縮積分，沙漏控制。

圖2 有限元模型Fig.2 The model of finite element

（3）提交作業(yè)得到平模的Mises等效應(yīng)力云圖（模孔長(zhǎng)度48 mm，倒角450）。從圖3中可以看出，平模所受應(yīng)力最大值集中在?？走吘壩恢蒙?，峰值為302.6 MPa，低于材料的屈服強(qiáng)度835 MPa，平模處于彈性變形階段，材料選擇合理。

表3 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的等效應(yīng)力Table 3 Equivalent stress of different structural parameters

圖3 等效應(yīng)力云圖Fig.3 Cloud chart of equivalent stress

3 平模的疲勞壽命分析

FE-SAFE是一種疲勞壽命分析軟件，與ABAQUS后處理的obd文件有數(shù)據(jù)接口，其采用單/雙軸疲勞計(jì)算方法，允許計(jì)算彈性和彈塑性載荷歷程，按照累積損傷理論和雨流計(jì)數(shù)法，綜合多重影響因素后，模擬各種應(yīng)力和應(yīng)變下的耐久性與疲勞壽命。

（1）基于FE-SAFE中的名義應(yīng)力法對(duì)平模進(jìn)行疲勞壽命分析，加載由ABAQUS完成的平模靜力學(xué)分析結(jié)果，完成對(duì)粗糙度、材料、疲勞算法，F(xiàn)OS因子（Factor of Strength）等參數(shù)的設(shè)置。

（2）通過定義材料的抗拉強(qiáng)度UTS和彈性模量，運(yùn)用FE-SAFE軟件中的Seeger算法，得到低碳鋼20CrMnTi的S-N曲線?？紤]到平模在工作中受到循環(huán)載荷的實(shí)際情況，本文采用雨流計(jì)數(shù)法對(duì)平模施加循環(huán)交變載荷譜。

（3）將平模的疲勞壽命結(jié)果加載到ABAQUS后處理分析模塊中，得到平模的疲勞壽命云圖[8-10]。

圖4 疲勞壽命云圖Fig.4 Cloud chart of fatigue life

從圖4中可以看出，平模大部分位置所允許的循環(huán)次數(shù)在7×106以上（默認(rèn)2×107為無限壽命），疲勞壽命沿平模徑向向外增加，每排?？字虚g的位置疲勞壽命較低，平模的最低循環(huán)次數(shù)為5.071×106，集中在靠近中心孔的第一圈模孔和中心孔的邊緣位置處，與最大應(yīng)力位置基本吻合。

圖5 沿真實(shí)距離的疲勞壽命圖Fig.5 Fatigue life along the true distance path

由圖5可以看出，平模的疲勞壽命沿徑向呈現(xiàn)總體增加的趨勢(shì)，但在分布?？走吘壍奈恢脡勖蝗粶p小，即圖中20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、100 mm的處，其中以第一排?？灼趬勖畹?，最容易產(chǎn)生疲勞破壞。

4 ?？椎菇恰㈤L(zhǎng)徑比對(duì)壽命的影響

建立9組平模三維模型，?？诪? mm，倒角分別為350、450、550，?？组L(zhǎng)度分別為40 mm、44 mm、48 mm（即長(zhǎng)徑比為5:1、5.5:1、6:1），按照本文的方法進(jìn)行疲勞壽命分析。在危險(xiǎn)區(qū)域，即第一排?？走吘墔^(qū)域，取相同位置10個(gè)節(jié)點(diǎn)，以其平均循環(huán)次數(shù)數(shù)值作折線圖。

圖6 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的疲勞壽命圖Fig.6 Fatigue life diagram of different structural parameters

從圖6中可以看出，平模的疲勞壽命隨倒角、長(zhǎng)徑比的增大而增加；當(dāng)模孔長(zhǎng)度為40 mm時(shí)，倒角對(duì)平模的疲勞壽命影響最明顯；當(dāng)?？椎菇菫?50時(shí)，疲勞壽命受?？组L(zhǎng)度的影響最明顯，模孔長(zhǎng)度為48 mm時(shí)最低循環(huán)次數(shù)為5.13×106比?？组L(zhǎng)度為40 mm時(shí)增加了63.74%。當(dāng)?？椎菇菫?50，?？组L(zhǎng)度為48 mm（即長(zhǎng)徑比為6:1）時(shí)，平模的循環(huán)次數(shù)最大，疲勞壽命最好。

5 討論

在國(guó)內(nèi)研究成型機(jī)疲勞壽命的方法中，多數(shù)使用單一軟件ANSYS，使用其他分析軟件較少。通過ABAQUS和FE-SAFE軟件對(duì)平模的疲勞壽命進(jìn)行聯(lián)合仿真，得到的結(jié)果合理，基本符合實(shí)際情況，驗(yàn)證了ANSYS模擬成型機(jī)疲勞壽命的可靠性。同時(shí)分析了不同錐角和模孔長(zhǎng)度對(duì)平模疲勞壽命的影響，對(duì)平模結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化有一定的指導(dǎo)作用。生物質(zhì)成型的過程是非常復(fù)雜的，影響平模疲勞壽命的因素也是多種多樣的。在今后的研究中，應(yīng)綜合多種場(chǎng)進(jìn)行耦合分析，才能更加符合實(shí)際。

6 結(jié)論

（1）通過對(duì)平模靜力學(xué)的分析，得到平模的應(yīng)力沿徑向向外減小，應(yīng)力最大值集中在靠近中心孔第一圈?？走吘壧幒椭行目走吘壧?。9組模型最大應(yīng)力均低于材料的屈服強(qiáng)度835MPa，平模處于彈性變形階段，材料選擇合理。

（2）根據(jù)平模疲勞壽命的分析，其循環(huán)次數(shù)最小值集中在靠近中心孔第一圈?？缀椭行目椎倪吘壩恢锰?，與該模型靜力學(xué)分析最大應(yīng)力位置基本吻合。

（3）對(duì)比平模的疲勞壽命結(jié)果，當(dāng)?shù)菇菫?50，長(zhǎng)徑比為6:1時(shí)，平模的循環(huán)次數(shù)較高，疲勞壽命較好。

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Fatigue lifeAnalysisBased on PoreStructuralParametersof FlatDie

WU Jia-xiong1,2,LI Zhen1*
1.College of Mechanical Engineering/Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China 2.College of Mechanical and Electrical Engineering/Cangzhou Normal University,Cangzhou 061000,China

As a key part of the flat molding machine,flat die is easy to wear,fatigue life is low.On the basis of ZL-300 type flat molding machine,this paper builds 3D model of flat die with 3D modeling software Solidworks,finite element analysis software ABAQUS and fatigue life analysis software FE-SAFE are used for joint simulation,simulate static strength and fatigue life of flat dies and research the influence of different kinds of die hole chamfering（350、450、550)and ratio of length to diameter（5:1、5.5:1、6:1）to the flat die fatigue life.The results show the max value area of stress in static analysis is same as min value area of cycle in fatigue life analysis,the fatigue life at the edge of the die hole is lower,the flat die had higher fatigue life when chamfer is 350 and ratio of length to diameter is 6:1.

Biomass;flat die;ABAQUS;FE-SAFE

S216;TK6

:A

:1000-2324(2017)03-0371-04

2015-08-26

:2015-09-16

國(guó)家自然科學(xué)基金(51666016);內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金(2016MS0544)

吳家雄(1988-),男,助教.研究方向:生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化裝備.E-mail:JX_Wu0111@163.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:lizhen_730106@126.com