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受压灰口铸铁构件的有限元分析

发布于:2018-04-11 20:57
有限元分析

       灰口铸铁是一种生产工艺简单、价格低廉、用途广泛的金属材料,灰口铸铁是由碳钢的基体和片状石墨夹杂物共同组成。在灰口铸铁中,由于碳元素是以片状石墨的形态存在,所以材料的抗拉强度较低,但抗压强度和硬度却很高,与同类基体的碳钢接近灰口铸铁的缺口敏感性较低,疲劳极限不会因表面的外加缺口有明显降低,具有很好的消震性,这是任何钢材都不能比拟的,对于提高机床精度、减少噪音,延长受震零件寿命都很有好处,同时还具有良好的耐磨性铸造加工性和切削加工性因此在机器制造中广泛应用。在分析灰口铸铁受压构件的有限元分析时,一般都将其简为杆件,并认为这类杆件受轴向压力时,其破坏断面与杆件横截面大致成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而在任意斜截面上的正应力eT和剪应力,在斜截面上剪应力最大,其值为e/2正是此最大剪应力使杆件沿其作用面发生了破坏-剪断。若设材料的许用剪应力,则其强度条件为上述强度条件在灰口铸铁受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,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为使设计的机器部件实用、美观经济,有必要进一步研究受压灰口铸铁构件的强度分析。
       为了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,在万能实验机上对108个径长比为115的灰口铸铁小圆柱试件进行了压缩试验试验中径长比取得较小,以尽可能消除压弯变形造成的影响。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,以减少膨胀变形的影响。试验结果如表可见,破坏断面与横截面夹角T为4C45左右的试件个数所占比例很小,T为5C55左右的试件个数所占比例很大,为889%。排除各种非理想随机因素以及上面提到的诸因素的影响,从实验力学的统计观点看,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5C55左右。
       目前工程上普遍认定的T应为4C45左右的结论,与上述试验所得的T为5C55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的全应力PT的切向分量,而对法向分量eT的作用则未予考虑。图为试件任意斜截面上的应力分析,设轴向压力为P,横截面上的正应力为e材料的内摩擦角为b,则任意斜截面上所示的正应力eT和剪应力,e和h均为常数,总剪应力f仅为斜截面倾角T的函数,故破坏可能发生在能使f取得最大值的T斜截面上为此,将式对Z取导数并令其等于零,即得破坏断面与横截面的夹角T为可见,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4045的斜截面上,而是发生在毛45+h/2的斜截面上。


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