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承压灰口铸铁构件的强度有限元分析

发布于:2020-04-06 09:34
有限元分析

       灰口铸铁中的碳大部或全部以片状石墨形态存在因此其抗拉强度很低,而抗压强度和硬度则较高,与相同基体的钢相近加之其缺口敏感性低,耐磨性、消震性、铸造加工性和切削加工性均较好,且价格低廉,故在普通机器制造中被普遍用作承压零件的材料如机床床身、底座、缸体、轴承座及工装设备上的各种承压零件等对灰口铸铁承压构件的强度问题,大多沿用非精细的分析方法一般都将这类构件简化作杆件,认为这类杆件受轴向压力而突然破坏时,其破坏断面与杆件横截面大致成T为40-45°左右的倾角。其原因是此时横截面上的最大工作正应力为e而任意斜截面上的正应力eT和剪应力,显然,在40-45的斜截面上剪应力最大,其值正是此最大剪应力使杆件沿其作用面发生了破坏(剪断工若设材料的许用剪应力,上述强度条件在灰口铸铁承压构件的设计和计算问题中广泛应用。但大量工程实例表明,这一强度条件较为粗糙,且过份偏于安全这就使制造出来的零部件尺寸偏大,既占用过多空间又浪费材料求证新的,更准确、更符合工程实际的强度条件,则需要采用有限元分析方法。
       试验目的:确定灰口铸铁试件受轴向压力破坏时,其破坏断面与试件横截面夹角T的值试验设备:WE-30r7能试验机,NB882试件:灰口铸铁小圆柱试件,径长比为:径长比取得较小,以尽可能消除压弯变形的影响,对试件上、下端部进行了研磨平整,以消除倾斜变形的影响;在试件上、下端部与试验机砧块间采用了润滑剂,以减少摩擦力的影响;在部分试件的中段加套了10mm高的松配合钢套,以减少鼓涨变形的影响。试验结果如下表:由表可见,破坏断面与横截面夹角T为4左右的试件个数所占比例很小,仅70X70。而T为50-55左右的试件个数所占比例则很大。排除各种非理想随机因素以及上面说明中注意到的诸影响因素的残余影响,从统计学的观点看,可得如下结论:灰口铸铁试件受轴向压力破坏时,其破坏断面与试件横截面的夹角T一般为50-55左右。
       工程上目前普遍认定的T应为45左右的结论与上述试验所得T一般为50-55左右的结果存在很大差异,其原因在于目前所沿用的理论分析方法只考虑了破坏断面上全应力PT的切向分量玩而对法向分量eT的作用则未予考虑图伪试件任意斜截面上的应力分析图。设轴向压力,横截面上的正应力为e材料的内摩擦角为h则任意斜截面上的正应力eT和剪应力外,尚有摩阻剪应力,可见,当杆件受轴向压力时,如果计入内摩擦力的影响,其最大剪应力并非发生在40-45的斜截面上,而是发生在斜截面上这就定性地说明了现行理论分析结论与上述试验结果不符的原因。
       首先分析内摩擦角脆性材料抗剪强度中的内摩擦力分量由剪切过程中颗粒错动时的抗力、颗粒表面摩擦阻力和颗粒间的质量力三部分组成这三部分的作用统一由以剪切面为界的两部分材料组成的摩擦副的摩擦系数f,反映出来库仑定律认为材料的内摩擦角是个常数但试验表明,h是随着杆件尺寸和形状的变化、斜截面上正应力的变化以及试验条件的变化而变化的。因此,材料的h值实际上应为一范围,先考虑h注意到材料的抗剪强度由粘结力和内摩擦力两部分组成,当单独考虑内摩擦力的作用时,在极限情况下可以粗略地认为沿剪切面两部分材料之间的粘结力为零。据此,用图示的简单装置对多组表面情况各异的“灰口铸铁一灰口铸铁”摩擦副进行了测量测得在无润滑情况下,其静滑动摩擦角的最小值。显然,从工程应用的角度来考虑,可以认为此即为灰口铸铁内摩擦角,再考虑h由摩擦的分子理论可得摩擦系数f的计算公式为f=f/P。其中f为微粘结点的剪切强度,Pc为摩擦副中较软材料的屈服压强对各向同性材料,当发生粘着摩擦时,由屈服条件中无与e的关系可得摩擦系数的最大值,这就从理论上定量地说明了灰口铸铁试件受轴向压力破坏时,其破坏断面与试件横截面夹角T一般为50-55左右的原因。


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