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泵阀座拉升器疲劳裂纹扩展的有限元分析

发布于:2017-11-27 20:33
有限元分析

      乳化液泵是液压支架的动力源,是现代化综采工作面必不可少的重要设备。乳化液泵吸排液阀的作用是通过柱塞的往复运动,实现周期性的启闭,从而交替地连通和阻断柱塞工作腔与吸、排液管道之间的通道,从而实现泵的吸液和排液过程。在高压大流量的工作条件下,吸排液阀存在着锈蚀、气蚀、磨损等问题,因此在乳化液泵工作一段时间后,需要对吸排液阀进行拆解,对受损零件进行维修或更新。阀座拉升器是为了提高乳化液泵吸排液阀拆卸效率而设计的一套简易装置。该装置通过将施加给螺母的力矩,转化为提升块对阀座的拉力,从而实现对阀座高效的拆卸。在使用阀座拉升器一段时间后,发现拉升器提升块出现了较大裂纹。通过失效有限元分析得知:由于提升块在一个力矩加载周期内,将受到交变载荷的作用,因而在提升块使用一段时间后,其内部会萌发初始裂纹并在此基础上逐渐扩展,最终以复合型裂纹扩展方式失效。笔者采用基于线弹性断裂力学的有限元增量裂纹扩展法,对拉升器提升块裂纹扩展的长度和方向进行了预测和分析。
      断裂力学起源于20世纪初,是研究含裂纹物体强度及裂纹扩展规律的一门科学,并已在航空航天、交通运输、矿山冶金、机械、材料、能源、化工等领域得到广泛应用。在断裂力学里,裂纹根据受力情况不同,可分为张开型(I型)、滑开型(II型)和撕开型(IQ型)3种基本类型。I型裂纹受到垂直于裂纹平面的拉应力作用,裂纹表面位移垂直于裂纹平面,II型和IQ型裂纹均受到平行于裂纹平面的剪应力,不同的是,II型裂纹表面位移垂直于裂纹前缘线,而IQ型裂纹表面位移平行于裂纹前缘线。
      在1957年首次提出用应力强度因子K表征裂纹尖端的应力状态。
      1)理论受力分析。在Pro/E中建立拉升器的三维模型。拉升器工作原理大致为:使用拉升器时,首先将限位盖与阀体以及M20螺母与推力轴承贴紧,之后用力矩扳手对M20螺母施加转矩,由于限位盖与阀体的相对位置固定,因此螺杆将带动提升块及阀座向上运动。
      2)有限元应力分析。将Pro/E中创建的提升块模型导入到有限元AppABAQUS中,并对模型的材料属性、载荷和边界条件、网格划分进行定义。提升块的材料为45号钢,其弹性模量为200 GPa,泊松比为0.27,密度为7.89xe3 kg/m3,屈服应力为355 MPa,强度极限为600 MPa,断裂韧性为1902MPa/mm。有限元模型加载的载荷和边界条件的定义为:提升块受到竖直向下的压力,并且提升块底部平面的3个方向的自由度被约束。选用三维线性缩减积分单元进行网格划分,共划分2128个单元。
      通过分析失效的提升块裂纹扩展路径可知:在裂纹扩展初期,裂纹尖端以II型剪切应力为主,因此裂纹扩展方向平行于受力方向,并在竖直方向生成了2.4 mm的II型裂纹,当裂纹扩展到一定阶段后,裂纹尖端则受到I+II混合型应力场作用,使得裂纹扩展方向发生了变化,裂纹开始沿着与拉升器对称中心线成近45°的方向进行扩展。
      综合考虑提升块的结构对称的特点和仿真计算的效率等方面的因素,采用二维有限元模型,对裂纹扩展进行模拟。假设初始裂纹长度a=2.4mm,求得的最大应力位置,并通过ABAQUS中的seam-crack方法定义裂纹尖端点及虚拟裂纹扩展方向。为了增加求解的准确性,有限元采用1/4奇异单元来模拟裂纹尖端奇异性,其他区域单元皆应用平面应变单元。最大应力202.7 MPa,约为0.57倍的屈服应力。因此在开始使用拉升器时,提升块的强度满足要求。但随着每一次施加力矩的过程,提升块受到416 MPa的循环应力作用,金属表面晶体结构中会产生局部的滑移,这种滑移累积起来,就形成了疲劳裂纹源,而疲劳裂纹源将随着交变载荷的不断作用,将逐渐扩展成可见的裂纹,并最终导致材料失效。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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