金嘉琦，鄒姍姍, 王顯榮，戚基艷

（1.沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽110870；2.遼河油田青海分公司，青海 德令哈816000）

0 引 言

艦載機牽引車是能在不同的特殊環(huán)境下完成一系列特殊任務(wù)的一種裝備，可以在各種惡劣的作業(yè)環(huán)境下，依靠本身能力來實現(xiàn)艦載機的穩(wěn)定移動和精準(zhǔn)停放[1]。舉升機構(gòu)舉升軸作為艦載機牽引車主要承載部件之一，其疲勞壽命的大小既反映了自身的疲勞可靠性，又會在一定程度上影響到舉升機構(gòu)和整車的可靠性，因此，研究舉升機構(gòu)舉升軸的疲勞壽命具有實際意義。

疲勞壽命一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點問題，辛紅敏、吳華偉[2]提出了一種灰色系統(tǒng)理論預(yù)測刀具的疲勞壽命；宋威震、楊慶勇等[3]針對前歐拉法在預(yù)測裂紋擴展時小步長、精度低的問題,提出一種基于擴展有限元與極限學(xué)習(xí)機相結(jié)合的方法, 用于預(yù)測含裂紋板結(jié)構(gòu)的疲勞壽命；ZhaoDan 等[4]在小樣本疲勞壽命數(shù)據(jù)的條件下，基于灰色理論實現(xiàn)了鋼絲繩在不同載荷條件下的疲勞壽命預(yù)測；L. Maragoni,P.A. Carraro,M. Quaresimin[5]提出了一個模型來預(yù)測在承受拉伸疲勞載荷的多孔單向復(fù)合材料層中裂紋萌生的壽命。而這些研究主要針對特定問題的疲勞壽命問題，目前對于特種車輛的舉升機構(gòu)舉升軸疲勞壽命的研究在國內(nèi)還是空白。

為了研究艦載機牽引車舉升機構(gòu)舉升軸的疲勞壽命，首先對舉升機構(gòu)進行疲勞壽命分析，得到舉升軸為關(guān)鍵易損部位；其次將舉升軸易損部位做成試件，進行疲勞拉伸實驗，得到關(guān)于舉升軸的S-N 曲線；然后通過有限元分析得到關(guān)于舉升軸的疲勞壽命；最后將舉升機構(gòu)關(guān)鍵部位舉升軸的疲勞壽命與事先得到的關(guān)于舉升軸S-N 曲線的疲勞壽命進行對比分析，得到關(guān)于舉升軸的疲勞壽命的誤差。

1 基于N-code的艦載機牽引車舉升機構(gòu)疲勞壽命分析

對舉升機構(gòu)進行疲勞可靠性分析，首先要得出舉升機構(gòu)承載部位的載荷譜，其次通過N-code 得到舉升機構(gòu)的應(yīng)力分布，最后需要通過一種疲勞累積損傷法則[6]對舉升機構(gòu)進行疲勞壽命預(yù)測與評估[7]。

預(yù)測舉升機構(gòu)的疲勞壽命，分析流程如圖1 所示。

圖1 舉升機構(gòu)疲勞壽命分析流程

1.1 材料疲勞特性

對舉升機構(gòu)進行疲勞分析，首先需要確定該結(jié)構(gòu)材料的S-N 曲線。本艦載機牽引車舉升機構(gòu)使用的金屬材料為C-45。在N-code 軟件中生成修正后的S-N 曲線，如圖2 所示。

圖2 C-45 修正后的S-N 曲線

1.2 疲勞壽命分析

本文之所以采用一種比較穩(wěn)健的Goodman 方法，是因為舉升機構(gòu)存在著隨機且有較大均值作用的載荷[8]。將Adams 動力學(xué)仿真求出的載荷譜導(dǎo)入到N-code 中，評估舉升機構(gòu)疲勞損傷的參考標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)最大主應(yīng)力，來求出該機構(gòu)的疲勞壽命。圖3 為Adams 動力學(xué)仿真求出的舉升機構(gòu)載荷時間歷程圖；圖4 為舉升機構(gòu)靜力學(xué)分析得到的舉升機構(gòu)應(yīng)力云圖。圖5 為舉升機構(gòu)關(guān)鍵部件舉升軸疲勞壽命云圖，其中最小壽命發(fā)生在舉升機構(gòu)中的舉升軸與斜面滑塊接觸部位，這是由于該處主要承受艦載機對牽引車的載荷作用，承受的應(yīng)力較大。圖6 為舉升機構(gòu)疲勞損傷云圖，由疲勞損傷云圖可判定機構(gòu)的關(guān)鍵易損部位為舉升軸。

圖3 舉升機構(gòu)載荷時間歷程圖

圖4 舉升機構(gòu)應(yīng)力云圖

圖5 舉升機構(gòu)疲勞壽命云圖

2 構(gòu)建舉升軸的疲勞壽命曲線

本文首先通過Workbench 對艦載機牽引車舉升機構(gòu)的舉升軸進行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，然后在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上對其試件進行拉壓疲勞試驗，其次根據(jù)實驗結(jié)果構(gòu)建其疲勞壽命曲線（S-N）。

2.1 舉升機構(gòu)關(guān)鍵部件有限元仿真分析

為了構(gòu)建舉升機構(gòu)關(guān)鍵部件的S-N 曲線，要對其進行拉壓疲勞試驗，其中拉壓疲勞試驗的數(shù)據(jù)是通過對其進行有限元仿真分析得到的。

本文首先建立舉升機構(gòu)關(guān)鍵部件的有限元模型，其次在Workbench 中對其進行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，表1為舉升軸模態(tài)分析結(jié)果，表2 為舉升軸諧響應(yīng)分析結(jié)果。

2.2 拉壓疲勞試驗

表1 舉升軸模態(tài)分析結(jié)果 Hz

目前，在對大多數(shù)模型進行疲勞壽命預(yù)測分析時，需要其模型的S-N 曲線，但獲得比較困難，基本采用模型基材的S-N 曲線或者采用模型的基材做成疲勞試件進行疲勞試驗獲得S-N 曲線，與模型實際S-N 曲線存在很大誤差，采用這種獲得模型S-N 曲線的方法，會造成模型疲勞壽命預(yù)測分析的不準(zhǔn)確。

因此，為了縮小與模型實際S-N曲線的誤差，本文通過有限元疲勞壽命分析找到舉升機構(gòu)關(guān)鍵部件的易損部位，然后在舉升軸的實際零件上（如圖7），進行線切割作為疲勞壽命試驗的試件，疲勞試件尺寸與形狀如圖8所示。上述的兩種方法與本文采用的獲得S-N曲線的方法相比沒有考慮易損部位及加工工藝性等，而且本文的方法結(jié)合了舉升機構(gòu)關(guān)鍵部件的工況實際，使模型疲勞壽命預(yù)測分析更準(zhǔn)確，更貼近實際。本文對舉升機構(gòu)舉升軸進行諧響應(yīng)分析得到不同的六階最大應(yīng)力作為對疲勞試件進行疲勞試驗的循環(huán)應(yīng)力，本文測定S-N曲線采用成組法[9]，應(yīng)力比R=0.35，頻率為12 Hz 的條件下進行試驗，本次試驗共分為6 組，每組包含3 根疲勞試件，一共有18 根疲勞試件。因此，疲勞試驗需要進行6 次，每次試驗需要對3 根疲勞試件進行軸向拉壓疲勞試驗，圖9 為試驗過程，表3為實驗數(shù)據(jù)。

圖6 舉升機構(gòu)疲勞損傷云圖

表2 舉升軸諧響應(yīng)分析結(jié)果 MPa

圖7 舉升軸零件圖

圖8 疲勞試件

圖9 試驗過程

表3 試驗數(shù)據(jù)

將表3 的實驗數(shù)據(jù)輸入到Workbench 中，構(gòu)建出舉升機構(gòu)關(guān)鍵部件的S-N 曲線，如圖10所示。

圖10 舉升軸的S-N 曲線

3 舉升軸的疲勞壽命分析

3.1 舉升軸的材料與疲勞分析設(shè)置

在AnsysWorkbench 中在材料屬性中添加C-45 材料屬性及疲勞S-N 曲線，如表4 所示。添加疲勞分析選項，設(shè)置循環(huán)載荷，進行疲勞壽命Fatigue Tool 分析。

表4 材料數(shù)據(jù)

3.2 疲勞壽命分析

經(jīng)過有限元的疲勞壽命分析，得出了舉升軸的life 云圖，如圖11 所示。

通過Workbench 得到的疲勞壽命分析結(jié)果是4.211×105次，即為舉升軸的疲勞循環(huán)次數(shù)。

圖11 疲勞壽命分析云圖

4 疲勞壽命計算與對比

4.1 線性累計損傷理論

線性疲勞累計損傷理論是指不同的力造成的損傷是不一樣的，可以進行疊加，若結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞是因為疊加的疲勞損傷達到了相應(yīng)的數(shù)值[9]。本文采用修正邁因納理論，即在邁因納理論基礎(chǔ)上添加一個修正因子α。

式中：ni為每次運行中某種循環(huán)的循環(huán)次數(shù)；Ni為根據(jù)該循環(huán)的應(yīng)力值，由零件的S-N曲線[10]確定出的該循環(huán)下的疲勞壽命；r為分解出的循環(huán)種類數(shù)。

表5 艦載機牽引車舉升軸的實際工作參數(shù)

4.2 疲勞壽命計算結(jié)果分析

5 結(jié) 論

通過對艦載機牽引車舉升機構(gòu)舉升軸疲勞壽命分析，驗證了基于試驗得到的S-N曲線獲得疲勞壽命方法的精確性。對特種車輛的疲勞壽命分析和相關(guān)技術(shù)研究有著深遠意義。

1）提出基于N-code的舉升機構(gòu)疲勞壽命分析，得到舉升機構(gòu)關(guān)鍵易損部位為舉升軸，最小壽命存在于舉升軸處，循環(huán)次數(shù)為4.097×105次，確保了舉升軸疲勞壽命分析的精確性。

2）提出基于舉升軸的疲勞拉伸實驗，構(gòu)建舉升軸本身的S-N 曲線，得到其疲勞壽命為4.221×105次，為其疲勞壽命分析提供了數(shù)據(jù)支持。

3）將基于N-code 的舉升機構(gòu)疲勞壽命分析與基于舉升軸S-N 曲線的疲勞分析進行對比分析，得到基于舉升軸S-N 曲線的疲勞壽命更加接近舉升軸的真實服役年限。為特種車輛的優(yōu)化改進以及檢修維護提供了理論依據(jù)。