安徽合力股份有限公司 合肥 230601

1 研究背景

機(jī)罩是叉車的外觀結(jié)構(gòu)件,上方安裝座椅,承受駕駛員重力。內(nèi)部安裝氣彈簧,承受氣彈簧力。叉車使用過程中,機(jī)罩會(huì)受到動(dòng)載荷的作用,常年累月存在疲勞破壞的可能,這超出了計(jì)算機(jī)輔助工程靜力學(xué)分析的范疇,需要通過疲勞分析進(jìn)行研究。

叉車機(jī)罩疲勞壽命為高周疲勞,分析常使用應(yīng)力壽命疲勞損傷模型,以材料的應(yīng)力壽命曲線為基礎(chǔ)[1-2]。

2 臺(tái)架疲勞試驗(yàn)過程

叉車機(jī)罩臺(tái)架疲勞試驗(yàn)的方法是將質(zhì)量為75 kg的質(zhì)塊提升到設(shè)定高度,然后放開使其做自由落體運(yùn)動(dòng)落至座椅上。等待設(shè)定時(shí)間后再重復(fù)這一過程,如此循環(huán)往復(fù),直至機(jī)罩上某處產(chǎn)生疲勞裂紋。臺(tái)架疲勞試驗(yàn)中,質(zhì)塊下落至座椅上的工況用于模擬駕駛員坐在座椅上的工況。通過臺(tái)架疲勞試驗(yàn),可以快速獲得叉車機(jī)罩薄弱位置的疲勞壽命。

試驗(yàn)對(duì)象為小噸位內(nèi)燃叉車機(jī)罩,叉車臺(tái)架疲勞試驗(yàn)的結(jié)果為左前方座椅安裝孔附近開裂,具體位置為導(dǎo)軌與機(jī)罩的接觸面前端。叉車機(jī)罩結(jié)構(gòu)及臺(tái)架疲勞試驗(yàn)開裂位置如圖1所示,試驗(yàn)結(jié)果照片如圖2所示。經(jīng)過兩次臺(tái)架試驗(yàn),得到了兩種疲勞壽命結(jié)果,分別如下:提升高度為80 mm時(shí),疲勞壽命為6.8萬次;提升高度為55 mm時(shí),疲勞壽命為22.9萬次。

圖1 叉車機(jī)罩結(jié)構(gòu)

圖2 叉車機(jī)罩臺(tái)架疲勞試驗(yàn)結(jié)果照片

3 靜力學(xué)分析

叉車機(jī)罩靜力學(xué)分析是后繼研究和疲勞分析的基礎(chǔ),需要建立準(zhǔn)確的機(jī)罩有限元模型[3-4]。使用HyperMesh軟件對(duì)叉車機(jī)罩進(jìn)行有限元分析,使用二維殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,使用Spotweld單元模擬焊接,在后方鉸鏈孔與前方支撐墊處施加約束,考慮加載75 kg質(zhì)塊的對(duì)應(yīng)重力載荷,同時(shí)考慮座椅導(dǎo)軌與機(jī)罩間的作用力分布情況。叉車機(jī)罩靜力學(xué)分析應(yīng)力云圖如圖3所示,可以看出,在臺(tái)架疲勞試驗(yàn)中產(chǎn)生破壞的螺栓孔附近存在較大的應(yīng)力。

對(duì)叉車機(jī)罩進(jìn)行應(yīng)變測試,選取螺栓孔附近應(yīng)力梯度較小的兩個(gè)點(diǎn)為測點(diǎn),測得一段時(shí)間內(nèi)對(duì)應(yīng)工況下的應(yīng)變時(shí)間曲線,使用nCode軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,即可得到測點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)間曲線。

圖3 叉車機(jī)罩靜力學(xué)分析應(yīng)力云圖

使用臺(tái)架疲勞試驗(yàn)中質(zhì)塊落至座椅上保持穩(wěn)定的應(yīng)力測試結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,誤差約為2%,見表1。造成誤差的原因包括實(shí)際加載位置差異、螺栓預(yù)緊力影響、導(dǎo)軌與機(jī)罩接觸影響、測點(diǎn)位置偏差等。

表1 靜力學(xué)分析結(jié)果與測試結(jié)果對(duì)比

4 機(jī)罩疲勞分析

4.1 材料應(yīng)力壽命曲線

機(jī)罩的材料為DC06鋼,厚度為1.5 mm。nCode軟件自帶的材料庫中沒有該材料,筆者使用以下方法自定義并修正得到該材料的應(yīng)力壽命曲線:自定義應(yīng)力壽命曲線,使用該曲線進(jìn)行試驗(yàn)疲勞分析;對(duì)比分析的壽命結(jié)果與試驗(yàn)的壽命結(jié)果,差異較大則調(diào)整自定義應(yīng)力壽命曲線,直至兩種結(jié)果的差異很小為止。

試驗(yàn)疲勞分析方法為:使用有限元分析結(jié)果中螺栓孔附近破壞位置大應(yīng)力與測點(diǎn)應(yīng)力的比值1.83作為放大因數(shù),結(jié)合兩種質(zhì)塊下落高度下測點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)間曲線,得到螺栓孔附近大應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)間曲線;再結(jié)合自定義材料應(yīng)力壽命曲線,便可基于nCode軟件試驗(yàn)疲勞分析方法得到對(duì)應(yīng)的疲勞壽命分析結(jié)果。

根據(jù)已有的兩種臺(tái)架疲勞試驗(yàn)壽命結(jié)果,最終調(diào)整得到材料的自定義應(yīng)力壽命曲線如圖4所示。使用這一應(yīng)力壽命曲線得到試驗(yàn)疲勞分析結(jié)果:下落高度為80 mm時(shí),疲勞壽命為6.8萬次;下落高度為55 mm時(shí),疲勞壽命為22.7萬次。

圖4 材料應(yīng)力壽命曲線

材料疲勞壽命數(shù)據(jù)具有顯著的離散性特征,高應(yīng)力水平條件下,疲勞壽命的離散因數(shù)約為2,而在低應(yīng)力水平條件下,疲勞壽命的離散因數(shù)可達(dá)100左右[5]。因?yàn)槠谄茐奈恢玫膽?yīng)力較大,疲勞壽命的離散因數(shù)較小,所以通過兩次試驗(yàn)結(jié)果得到的自定義應(yīng)力壽命曲線具有一定的準(zhǔn)確性,可以用于進(jìn)一步的疲勞分析。

4.2 機(jī)罩疲勞壽命預(yù)測

線性疲勞累積損傷理論認(rèn)為,相同應(yīng)力水平產(chǎn)生的疲勞損傷相同,且與加載順序無關(guān)。構(gòu)件疲勞損傷為各次循環(huán)載荷疲勞損傷的總和,當(dāng)總損傷等于或大于1時(shí),認(rèn)為發(fā)生疲勞失效[6-8]。

在臺(tái)架疲勞試驗(yàn)前,直接將已貼好應(yīng)變片的機(jī)罩安裝到叉車上,由駕駛員進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn),可得到測點(diǎn)在強(qiáng)化試驗(yàn)過程中的應(yīng)變時(shí)間曲線,這一曲線中包括了駕駛員上下車和跑等強(qiáng)化試驗(yàn)工況。截取強(qiáng)化試驗(yàn)工況對(duì)應(yīng)時(shí)間段的應(yīng)變時(shí)間曲線,結(jié)合自定義應(yīng)力壽命曲線,應(yīng)用nCode軟件分析得到駕駛員上下車一次叉車機(jī)罩的疲勞損傷為2.9×10-6,駕駛員跑一圈叉車機(jī)罩的疲勞損傷為2.09×10-8。

假設(shè)叉車的常規(guī)使用工況為1 d運(yùn)行8 h,其間駕駛員上下車50次,完成強(qiáng)化試驗(yàn)335圈。根據(jù)Palmgren-Miner線性疲勞損傷累積法則[9-10],計(jì)算得到1 d運(yùn)行8 h的總損傷為1.52×10-4,對(duì)應(yīng)的疲勞壽命為18 a。

5 結(jié)束語

基于叉車機(jī)罩兩次臺(tái)架疲勞試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合nCode軟件試驗(yàn)疲勞分析,得到機(jī)罩材料的應(yīng)力壽命曲線。結(jié)合此應(yīng)力壽命曲線、測點(diǎn)應(yīng)變時(shí)間曲線及有限元分析結(jié)果,得到試驗(yàn)臺(tái)工況下的疲勞壽命,與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。結(jié)合叉車強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)變時(shí)間曲線,分析得到假設(shè)工作條件下的疲勞壽命。通過研究,從疲勞的角度對(duì)叉車機(jī)罩的性能有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。應(yīng)用類似方法研究機(jī)罩其它位置,可以得到完整叉車機(jī)罩模型的疲勞分析結(jié)果。針對(duì)叉車機(jī)罩的疲勞分析,在以下方面還有改進(jìn)空間:有限元模型的準(zhǔn)確性需要提高,導(dǎo)軌與機(jī)罩的接觸關(guān)系及安裝螺栓預(yù)緊力的影響有待考慮,應(yīng)力壽命曲線的準(zhǔn)確性能夠進(jìn)一步提高。由于臺(tái)架疲勞試驗(yàn)只進(jìn)行了兩次,得到的疲勞壽命不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,獲得的材料應(yīng)力壽命曲線難免存在偏差,而更多的試驗(yàn)可以減小這一偏差,因此條件允許時(shí)建議進(jìn)行材料疲勞力學(xué)性能試驗(yàn)。