連桿活塞是壓縮機中最重要的零件之一，由于其工作環(huán)境惡劣，其疲勞破壞是不可避免的。首先利用ANSYS軟件對其進行靜力學(xué)分析，得出了連桿活塞的應(yīng)力集中的位置，根據(jù)Weibul1分布概率密度函數(shù)計算了連桿活塞的等效應(yīng)力幅。分別采用Miner疲勞損傷理論和ANSYS軟件中的疲勞分析模塊計算連桿活塞的疲勞壽命，通過計算結(jié)果表明兩種方法的計算結(jié)果基本上是一致的。最后得到連桿活塞的疲勞壽命是17.5年。
關(guān)鍵詞：連桿活塞；疲勞壽命；應(yīng)力集中；ANSYS軟件
前言
連桿螺栓是壓縮機中最重要的零件之一。它承受很大的交變在載荷和幾倍于活塞力的預(yù)緊力，它的斷裂將造成嚴(yán)重的事故，它工作在反復(fù)受拉的惡劣環(huán)境中．且結(jié)構(gòu)上不允許加大螺栓尺寸。這就必須提高它的強度和抗拉疲勞性能。因此，連桿螺栓不僅要有足夠的靜強度，更重要的是要有較高的耐疲勞能力。
1 疲勞的基本理論
疲勞是指在某點或某些點承受交變應(yīng)力，且在足斷裂的材料中所發(fā)生的局部的、永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程。由于交變載荷的作用，構(gòu)件一開始使用就進入疲勞的發(fā)展過程，裂紋萌生和發(fā)展是這一發(fā)展過程中不斷形成的損傷積累的結(jié)果。最后的斷裂，標(biāo)志著疲勞過程的終結(jié)。這一發(fā)展過程所經(jīng)歷的時間或交變循環(huán)載荷作用的次數(shù)，稱為“壽命”。它不僅取決于載荷水平，還依賴于循環(huán)作用次數(shù)或時間，取決于材料抵抗疲勞破壞的能力。使構(gòu)件在有限長設(shè)計壽命內(nèi)不發(fā)生疲勞破壞的設(shè)計，稱為安全壽命設(shè)計方法(safe—life design)或有限壽命設(shè)計。材料的s— N 曲線和Miner積累損傷理論，是安全壽命設(shè)計的基礎(chǔ)。當(dāng)然，考慮到疲勞破壞的分散性等不確定因素，安全壽命設(shè)計應(yīng)當(dāng)具有足夠的安全儲備。
2 靜態(tài)線性有限元分析
2.1 連桿螺栓有限元模型
根據(jù)連桿螺栓的結(jié)構(gòu)特點，采用SOLID45單元進行網(wǎng)格劃分，各應(yīng)力集中的部位細(xì)分單元，共劃分了13753單元，14708個節(jié)點。邊界條件的設(shè)置嚴(yán)格按照實際工況設(shè)置。連桿螺栓螺紋部分受預(yù)緊力的作用，在其頭部凹面處受三個方向上的約束作用。連桿螺栓的制造材料為38CrMoAIA，其屈服強度為850MPa，拉壓疲勞強度為430MPa。其整個有限元模型如圖1所示。圖2顯示了該模型在最大載荷下的計算結(jié)果，表明在此工況下，其最大等效應(yīng)力仍在屈服極限下，整個構(gòu)件仍處于線彈性變化范圍，因此也決定了此構(gòu)件的疲勞壽命分析處于高周疲勞問題。
2.2 疲勞校核點的選定
采用圖1所示的有限元模型對連桿活塞進行結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力計算，按第三強度理論，得出如圖2所示的結(jié)構(gòu)應(yīng)力密度分布云圖。通過觀察可知道在連桿活塞的螺紋連接處和其頭部產(chǎn)生了應(yīng)力集中。所以選擇這些區(qū)域上應(yīng)力密度最大的點進行疲勞壽命預(yù)測。
圖1 連桿螺栓的有限元模型
圖2 連桿螺栓的應(yīng)力密度云圖
3 活塞連接桿的疲勞壽命計算
3.1 等效應(yīng)力幅計算
Weibul1分布概率密度函數(shù)為：
式中：ξ為形狀參數(shù)，根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的工作環(huán)境、結(jié)構(gòu)的類型及動力性能，以及所考慮的構(gòu)件在整個結(jié)構(gòu)中的位置等因素來確定；σ為應(yīng)力范圍；σL為最大應(yīng)力范圍；NL為載荷譜的回復(fù)周期L期間內(nèi)應(yīng)力循環(huán)的總次數(shù)。
應(yīng)力參數(shù)定義為：
式中：fL為應(yīng)力范圍作用的平均頻率，fL=NL/L，L為回復(fù)周期；E(σm)為σm的期望值，m為參數(shù)。定義等效應(yīng)力范圍為：
由于假設(shè)疲勞應(yīng)力范圍長期分布服從Weibul1分布模型，根據(jù)識（1）的概率密度計算可得的σm期望值：
式中：Γ為伽瑪函數(shù)。將式（4）代入（2）和（3）得到：
對于連桿活塞進行有限元分析得出應(yīng)力集中點代入式（6）求出等效應(yīng)力幅。
3.2 疲勞壽命的計算方法
3.2.1 Miner疲勞損傷理論的計算結(jié)果
根據(jù)Miner疲勞損傷累積理論，得出連桿活塞在等效應(yīng)力幅作用下單次循環(huán)損傷量的計算公式：
式中：σ−1—連桿活塞材料的疲勞強度；
N—在σd作用下焦冷器轉(zhuǎn)子的極限循環(huán)次數(shù)；
N0—對應(yīng)疲勞極限的循環(huán)次數(shù)，一般N0=107次；
k—材料的疲勞特性常數(shù)，對于鋼結(jié)構(gòu)k=5。
3.2.2 利用ANSYS軟件疲勞分析模塊計算
利用ANSYS軟件可以在對連桿活塞進行應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上對其進行疲勞分析，ANSYS進行疲勞計算時采用的方法為應(yīng)力-壽命方法，疲勞分析模塊可以方便快速的求出連桿活塞的疲勞壽命。
4 計算結(jié)果
利用Miner疲勞損傷理論和ANSYS軟件分別對連桿活塞進行疲勞壽命計算，主要計算螺紋連接處和頭部的應(yīng)力集中點出。計算結(jié)果如表1所示。
表1 連桿活塞的疲勞壽命的計算結(jié)果
 通過計算可以看到，利用兩種方法計算所得到的結(jié)果是基本上一致的，取疲勞壽命的最小值作為標(biāo)準(zhǔn)，連桿活塞的疲勞壽命為17.5年，可以工程要求。
結(jié)論
（1） 根據(jù)連桿活塞的實際工況，經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮喕⒂邢拊Ｐ�，利用ANSYS軟件進行有限元分析，找出了其應(yīng)力集中的位置，作為疲勞計算的依據(jù)。
（2） 分別采用Miner疲勞損傷理論和ANSYS軟件中的疲勞分析模塊計算連桿活塞的疲勞壽命，通過計算結(jié)果表明兩種的計算結(jié)果基本上是一致的。
（3） 根據(jù)計算結(jié)果，可以知道連桿活塞的疲勞壽命是17.5年。該使用年限可以滿足工程的實際要求。 |
