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泵曲轴三维裂纹起裂裕度的有限元分析

发布于:2018-07-20 23:14
有限元分析

      大型隔膜泵(功率300 kW-2000 kW)是固液两相介质输送的关键设备,主要用于大型石化、煤化工、冶金及建材等领域。该产品具有效率高、运行可靠和成本低等优点,有利于节约能源和环境保护,市场前景非常广阔。
      大型隔膜泵曲轴承受着输送液体压力及往复和旋转质量惯性力引起的周期性变化的载荷,并受到输入转矩的作用而产生扭转振动。所以,曲轴的强度以及寿命有限元分析是大型隔膜泵寿命的关键技术之一。曲轴过渡圆角处有严重的应力集中,其材料内部的的夹渣、气孔、加工中引起的刀痕等缺陷都是可以引起疲劳断裂的缺陷。因此,必须用断裂力学的方法研究曲轴裂纹的扩展规律,首要工作是正确计算应力强度因子。
      当前已有许多方法可用来计算应力强度因子,较为典型的有解析法、边界配位法、有限单元法、边界元素法、体力法、权函数法和线弹簧模型。利用这些方法大量的应力强度因子解已经获得,已出版的应力强度手册中收编了许多典型应力强度因子的解。
      目前,无裂纹曲轴应力有限元分析己有不少工作。但对于含裂纹曲轴的分析才刚刚开始,在断裂力学实验基础上,研究内燃机车钥铜合金球墨铸铁曲轴的一次性脆断问题。对带裂纹曲轴疲劳强度计算方法进行研究。对锻钢曲轴的I型裂纹应力强度因子进行有限元计算,但裂纹深度仅为2 mm-3 mm,给出的拟合公式也难以应用。对含裂纹柴油机曲轴进行应力强度因子计算,计算曲轴的应力及在不同裂纹深度下的应力强度因子,最后给出应力强度因子的拟合公式。Blackburn和Hellen计算几种结构上裂纹的二维与三维应力强度因子。Patterson论述有限元法在计算应力强度因子时的应用。Kong提出三轴应力的影响并将之应用于断裂判据中。Ukadgaonker考虑第I.II应力张量不变量,提出新的断裂准则。但是大型隔膜泵曲轴属于低速、重载的曲轴,活塞推力在5xe5N-1.2xe6N范围,需要计算该类曲轴含有不同尺寸三维裂纹时的应力强度因子。
      在进行裂纹分析时,应力强度因子是一个重要的指标。构件中的裂纹可以抽象成三维模型。
      采用由上至下的实体建模的方法,在曲轴的子模型上用AnsysApp的建模功能建立含三维裂纹的曲轴模型,并计算应力强度因子。假设曲轴三拐曲臂左侧存在夹渣,其裂纹面为半椭圆形,长半轴a=4 mm,短半轴h=3.3 mm。同时定义裂尖节点编号,该裂尖共计5个点,5点的依次顺序。其中,2点和4点、3点和5点的坐标完全相同,整个过程使用Ansys的APDL命令流实现,通过后处理得到应力强度因子124.75 MPa、Ku=53.325 MPa和16.429 MPa。
      在曲轴循环一周强度分析的基础上,假设曲轴各截面应力最大方向上存在裂纹,同时假设所有截面上的裂纹长10 mm、深5 mm。在曲轴各个截面的子模型最大应力处建立含三维裂纹的模型,对含三维裂纹曲轴各个截面在12种工况下分别进行分析,从而评价各个截面存在裂纹时的危险等级。
      用各截面的最大应力强度因子得到的曲轴各截面最危险工况裂纹不扩展的安全系数曲线的结果可知,存在同样大小裂纹的情况下,支撑部位的不扩展安全系数高于其他各个截面。在12个危险截面中,危险程度排序为E>E'>D>E">F>C">B>C>C>‘>A>H。
      对于复杂的三维问题的断裂分析,数值方法是一种切实有效的途径,本研究在阐述有限元分析理论的基础上,重点从断裂力学方面对曲轴裂纹进行有限元分析。通过对曲轴裂纹的断裂力学有限元分析,可以判断含裂纹的曲轴应力强度因子,从而判断裂纹是否扩展,同时为生产过程中的探伤等工艺提供参考。从中得到以下结论:
      1)对于计算的曲轴而言,并不是说曲轴表面不能有裂纹(缺陷)的存在,在一定程度上,曲轴表面的某些位置可以存在一定的缺陷,而允许出现缺陷的位置以及缺陷的尺寸,还需根据曲轴的有限元计算结果以及曲轴的断裂力学分析结果确定。
      2)提供的是假设裂纹的计算方法和过程,在实际工程中,可根据曲轴表面探测的位置以及探测出的缺陷长度,用本文方法进行分析研究。
      3) AnsysApp的裂纹生成宏命令可以很大程度地减少工作,降低出错率。


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