ANSYS挖掘机连杆螺栓的疲劳寿命分析(一)

2013-07-17 by:广州有限元培训实践中心来源:仿真在线

0 引言

连杆螺栓是发动机乃至整个挖掘机中最重要、强度要求最高的螺栓之一,由于工作环境恶劣,承受交变载荷的作用,一直处于疲劳应力状态。由于其尺寸受到限制,若设计或加工处理不好,极易产生严重的应力集中,导致出现疲劳裂纹乃至断裂。因此.除一般的机械性能要求外,还对其抗疲劳性能有较高的要求。事实上,在对SOFIM连杆螺栓进行疲劳试验时,仅循环近1×106次就出现断裂的现象,而其疲劳寿命要求的循环次数为5x106次。本文针对该连杆螺栓出现的早期疲劳断裂问题,利用有限元分析软件ANSYS进行疲劳分析,并在此基础上提出改进方法。

1 疲劳强度试验方法

试验按《螺纹紧固件轴向载荷疲劳试验方法》(GB/T13682--92)在PLG一200B高频拉压疲劳试验机上进行。试件为连杆螺栓实物。试验的平均载荷为11.55 kN,交变载荷是幅值为9.45 kN、频率为200 Hz的正弦波。当试件达到破坏极限或试验循环次数达到要求的5×106次时停止试验。

2 结果与分析

2.1 疲劳试验

12.9级连杆螺栓的疲劳试验结果如表1所示。由表1可见。在20个试件中,仅有2个合格,其余的18个断裂部位均发生在连杆螺栓杆部与头部的过渡圆弧处。

连杆螺栓的滚丝工艺是在热处理工艺之后进行的,在螺纹处容易形成压应力。使螺纹得到强化,提高了螺纹处的疲劳寿命。但其颈部形状复杂,由三段圆弧组成,如图1所示.三段圆弧的半径各不相同,圆弧的过渡连接处理在实际生产中很难完全达到图纸的要求。有可能导致在连杆螺栓杆部与头部的过渡圆弧处出现应力集中,使抗疲劳性能下降。

2.2 疲劳寿命

2.2.1 有限元模型的建立

利用ANSYS软件对连杆螺栓在承受最大载荷、平均载荷和最小载荷时各点的应力分布情况进行分析。

考虑到高强度螺栓的滚丝工艺是在热处理工艺之后完成的,使得螺纹处得以强化,且疲劳试验的结果也表明早期疲劳断裂的确发生在杆部与头部的过渡圆弧处,故可完全忽略螺纹的影响。为了更好地模拟螺栓的实际工作情况,在螺栓上装配了螺母,并忽略螺纹的影响,将螺栓和螺母视为一个整体建立几何模型。

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