【導(dǎo)讀】完成日期：2020年5月20日。研究工作及取得的研究成果；包含為獲得其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位而使用過的材料；作者簽名：日期：2020年12月27日。指導(dǎo)老師教研室主任關(guān)耀奇.1．完成本課題的開題報(bào)告；1．宣布畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)、明確課題要求，收集、閱讀相關(guān)資料；周。3．課題方案論證；2周。4．三維建模及有限元分析：2周。5．撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)算說明書2周

　　

【正文】 況下 QT400 最大值分別為 aMP 和 aMP ,兩者差別甚少。由下圖可知，最大值發(fā)生在端蓋與軸承裝配處，其余應(yīng)力水平較高區(qū)域如圖所示： 圖 端蓋應(yīng)力分布云圖（曳引機(jī) 125%額定載荷平穩(wěn)和加速運(yùn)行，材料 HT300） 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)結(jié)果分析 機(jī)座及端蓋的強(qiáng)度、剛度分析以及不同工況對比 根據(jù)上述對機(jī)座和端蓋的應(yīng)力、應(yīng)變分析結(jié)果，可知兩部件在相應(yīng)的工況下均呈現(xiàn)了較 低的應(yīng)力、應(yīng)變水平。根據(jù)相應(yīng)材料的力學(xué)性能，以及分析部件中的危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力狀況，應(yīng)用最大拉應(yīng)力強(qiáng)度理論，可對機(jī)座和端蓋進(jìn)行強(qiáng)度評估，結(jié)果如以表 和表 所示： 29 表 曳引機(jī) 125%額定載荷平穩(wěn)運(yùn)行機(jī)座、端蓋強(qiáng)度校核 材料選配方案 零件 材料 強(qiáng)度極限/ aMP Von Mises 應(yīng)力/ aMP 工作安全系數(shù) 方案一 機(jī)座 QT400 400 34 端蓋 QT400 400 56 方案二 機(jī)座 HT300 300 31 端蓋 HT300 300 52 表 曳引機(jī) 125%額定載荷加速運(yùn)行機(jī)座、端蓋強(qiáng)度校核 材料選配方案 零件 材料 強(qiáng)度極限 / aMP Von Mises 應(yīng)力/ aMP 工作安全系數(shù) 方案一 機(jī)座 QT400 400 24 端蓋 QT400 400 55 方案二 機(jī)座 HT300 300 21 端蓋 HT300 300 51 其中工況安全因數(shù)為屈服強(qiáng)度除以最大剪應(yīng)力值，根據(jù)結(jié)果可知他們是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 3 的，（脆性材料，如鑄鐵 許用安全因數(shù)一般取 2— 6）滿足強(qiáng)度要求。 另外比較該型曳引機(jī)在平穩(wěn)運(yùn)行和加速運(yùn)行兩工況下的 Von Mises 應(yīng)力 ，并且分別對端蓋計(jì)算得，兩工況下應(yīng)力和位移的差距均在 3%以內(nèi)，而對于機(jī)座則相差比較大。 兩種材料選配方案的比較 材料屬性是用有限元法分析部件靜力學(xué)，疲勞和模態(tài)分析至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，不同的材料將影響分析結(jié)果，而且材料使用會對產(chǎn)品造價(jià)成本影響很大。本文采用 QT400 和 HT300 兩種材料的對比，具體情況見表 ： 表 機(jī)座和端蓋最 Von Mises 和最大位移比較圖 材料選配方案 零件 材料 強(qiáng)度極限 aMp Von Mises/ aMp 最大位移變量 mm 平穩(wěn)運(yùn)行 加速運(yùn)行 平穩(wěn)運(yùn)行 加速運(yùn)行 方案一 機(jī)座 QT400 400 端蓋 QT400 400 方案二 機(jī)座 HT300 300 端蓋 HT300 300 比較機(jī)座和端蓋兩部件在平穩(wěn)和加速運(yùn)行 2 工況下的最大主應(yīng)力和最大位移知，機(jī)座和端蓋的應(yīng)力分布狀況均差不多，應(yīng)力大小有明顯差異。不過位移變 30 量影響比較大的，機(jī)座在平穩(wěn)和加速兩工況下的位移差距約為 30%,而 QT400 和HT300 的位移差距約 65%；至于端蓋這差距約 50%。 31 第四章 結(jié)構(gòu)疲勞分析 疲勞分析基礎(chǔ)知識 疲勞分析知識概述 強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命是對工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械使用的三個(gè)基本要求。觀察發(fā)現(xiàn)，如果物體經(jīng)常處于載荷不斷加載和卸載的變動過程中，即使物體所承受的應(yīng)力在許可范圍之內(nèi)，也會遭到破壞，這種現(xiàn)象被稱為疲勞。根據(jù)應(yīng)力幅和預(yù)期導(dǎo)致破壞所需的循壞次數(shù)，可以將疲勞分為高周疲勞和低周疲勞。應(yīng)力波動的每一個(gè)周期都會或多或少的損壞物體。在循環(huán)一定數(shù)量的周期之后，物體會變得越來越“衰弱”，以致最終破壞，疲勞是許多物體破壞的主要原因，尤其是金屬物體。疲勞引起的破壞例子有：旋轉(zhuǎn)機(jī)械、螺栓、機(jī) 翼、消費(fèi)品、海上平臺、艦船、車軸、橋梁、骨骼等。曳引機(jī)機(jī)座和端蓋作為支撐部件，在轉(zhuǎn)子的高循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)下將受到連續(xù)的轉(zhuǎn)矩和壓力載荷作用，有可能發(fā)生疲勞破壞。 影響零件壽命的主要失效形式是腐蝕，磨損和疲勞。疲勞所導(dǎo)致的破壞分為三個(gè)階段： 階段 1:材料中出現(xiàn)一處或多處裂紋。裂紋可能出現(xiàn)在材料的任何位置，但通常會出現(xiàn)在物體的邊界面上，因?yàn)檫@些位置存在更高的應(yīng)力波動。裂紋的出現(xiàn)由很多因素引起，比如材料的精微結(jié)構(gòu)不完美，物體表面因?yàn)楣ぞ呋蛟谛遁d時(shí)被刮擦。 階段 2:由于持續(xù)加載，導(dǎo)致部分或所有裂紋萌生。 階段 3：設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的 抵抗能力會不斷惡化，最終發(fā)生破壞。 由于模型的表面暴露在各種不同的環(huán)境中（濕氣等），通常也是應(yīng)力最高的部位，這些部位也是裂紋最容易形成并開始擴(kuò)展的地方。因此加固表面以及提高表面質(zhì)量，可以提高模型的疲勞壽命。 疲勞壽命即零件由于循環(huán)加載而逐漸疲勞，導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷裂而破壞。在一給定任一循環(huán)特性 r 的條件下，應(yīng)力經(jīng)過 N 次循環(huán)而材料不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力就是疲勞極限。當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)大于這個(gè)疲勞極限時(shí)，疲勞曲線σ — N 曲線是水平的，也就是說疲勞極限不會因?yàn)檠h(huán)次數(shù)增加而變化，疲勞壽命無限，反之，疲勞壽命 是有限的。材料在不同的循環(huán)特性下疲勞極限是不一樣的，極限應(yīng)力圖可以反映這種線性關(guān)系。考慮到強(qiáng)度要求和成本等眾多因 32 素，曳引機(jī)機(jī)座和端蓋通常是選用鑄鐵材料生產(chǎn)，本文將采用 HT300 和 QT400兩種材料來分析它們的結(jié)構(gòu)疲勞情況。 疲勞計(jì)算是基于結(jié)構(gòu)裂紋損傷累積的原理，根據(jù)應(yīng)力 壽命（ SN）曲線圖或者應(yīng)變 壽命（ EN）曲線圖來估計(jì)該零件的疲勞壽命，計(jì)算過程中將輸入數(shù)據(jù)處理成峰頂或者峰谷，對循環(huán)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而計(jì)算出結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。結(jié)構(gòu)疲勞分析是一種工具，用于在各種簡單的或復(fù)雜的加載條件（也稱為疲勞載荷循環(huán)）中 評估設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度或者耐久性。通過軟件疲勞解算后，計(jì)算出損壞百分比、生命和載荷因子等結(jié)果參數(shù)，通過云圖，判斷其疲勞特性。影響機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的主要因素有應(yīng)力集中，零件尺寸形狀，表面狀態(tài)和載荷作用等，用Solid Works2020 有限元分析結(jié)果可以證明。 關(guān)于 Solid Works Simulation 疲勞分析參數(shù)闡述 1 基于應(yīng)力 壽命（ SN）的疲勞 疲勞計(jì)算要考慮的因素很多，因?yàn)樵陬A(yù)測其疲勞壽命時(shí)它是計(jì)算某個(gè)部件的消耗是如何形成的，它是一個(gè)慢慢積累的過程。一般來說，高周疲勞下結(jié)構(gòu)體在他們 的壽命極限內(nèi)要經(jīng)歷各種載荷。經(jīng)歷的載荷類型也可能非常簡單（最大 /最小載荷的定義已經(jīng)完全明確），也可能是隨機(jī)的（描述起來相對復(fù)雜）。然而即使是某些隨機(jī)載荷，其展示的屬性也可以視為確定載荷。通常載荷可以分為兩類：等幅載荷和變幅載荷。 1）等幅載荷：等幅的應(yīng)力循壞具有相同的交替應(yīng)力、平均應(yīng)力、應(yīng)力比率及周期數(shù)這 4 個(gè)參數(shù)完全定義。如下圖 所示： 圖 等幅載荷 S min 和 S max 分別代表一個(gè)應(yīng)力周期中的最小及最大的應(yīng)力值。 S alt 為交替的應(yīng)力幅。 33 S mean 為平均應(yīng)力， S mean=（ S min +S max） /2。平均應(yīng)力的大小對結(jié)構(gòu)體抗疲勞能力具有顯著影響。 應(yīng)力比率 R=S min/S max,如下圖 所示，左圖為 R 基于零的情況，右圖為對稱循環(huán)的情況。 圖 平均應(yīng)力與應(yīng)力比率 在等幅載荷的例子中，時(shí)間概念無關(guān)緊要，也就是說，也就是說只有具有上述的特征的周期才是重要的。 變幅載荷：變幅疲勞事件是一個(gè)載荷歷史記錄，定義了載荷的歷史波動。對疲勞分 析中的單個(gè)變幅時(shí)間而言，時(shí)間的大小沒有任何意義，在關(guān)聯(lián)幾個(gè)載荷事件時(shí)，才可能會用到時(shí)間。 2 疲勞術(shù)語 1） SN 曲線：高周期疲勞對應(yīng)的材料屬性由交替應(yīng)力 （ Salt)和失效的周期數(shù)（ N)的相互關(guān)系構(gòu)成。典型的 SN 曲線如下圖 所示： 圖 SN 曲線 34 2）疲勞強(qiáng)度 :在給定周期下，疲勞失效發(fā)生時(shí)的應(yīng)力。 3）承受極限 :當(dāng)交替應(yīng)力變得更小時(shí)，材料能夠在由于疲勞而失效之前承受更多的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。承受極限即 不發(fā)生疲勞失效時(shí)對應(yīng)的最高交替應(yīng)力。換而言之，如果交替應(yīng)力等于或小于承受極限，導(dǎo)致失效的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)就會變得非常大（可以認(rèn)為是無窮大）。承受極限通常定義為對稱循環(huán)的交替應(yīng)力。承受極限也稱為疲勞極限。某些金屬沒有一個(gè)可以測量的承受極限。 注意 SN 曲線的數(shù)據(jù)都是分散的，特別在高周期的情況下。基于這個(gè)原因，大多數(shù)設(shè)計(jì)手冊都建議采用一個(gè)可靠系數(shù) ，這降低了疲勞強(qiáng)度。 4） SN 數(shù)據(jù)曲線的可靠性 因?yàn)槠谟?jì)算的結(jié)果與 SN 曲線直接相關(guān)，因此 SN 曲線數(shù)據(jù)的重要性不言而喻。 準(zhǔn)確的數(shù)值可以通過實(shí)際產(chǎn)品（或具有相 同類型及材料的典型產(chǎn)品）的疲勞測試來獲取。因此這在大多數(shù)情況下是不可行的，所以必須使用在、各種出版發(fā)行的手冊提供的 SN 曲線。大多數(shù)情況下，曲線是由單軸對稱循環(huán)應(yīng)力周期的疲勞測試中獲取的。如果存在不同平均應(yīng)力比率的曲線，則推薦使用平均應(yīng)力糾正算法來處理他們。 5） SN 曲線的定義方法 SN 曲線插值 SN 曲線的數(shù)據(jù)插值有一下 3 種方法： 雙對數(shù)：對循環(huán)數(shù)和交替應(yīng)力采用對數(shù)內(nèi)插法（底數(shù)為 10）。當(dāng)定義一條SN 曲線時(shí)，如果兩個(gè)軸上只有較小數(shù)點(diǎn)且分散性大時(shí)（循環(huán)數(shù)和交替應(yīng)力），采用這個(gè)選項(xiàng)。 半對數(shù) 對應(yīng)力采用 線性插值，二對循環(huán)次數(shù)采用對數(shù)插值法。當(dāng)定義一條SN 曲線時(shí)，如果兩個(gè)軸上只有較少數(shù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)且分散性較大時(shí)（循環(huán)數(shù)和交替應(yīng)力），也采用這個(gè)選項(xiàng)。 線性：對循環(huán)數(shù)和交替應(yīng)力都、采用線性插值法。當(dāng)定義一條 SN 曲線時(shí)，如果有大量數(shù)據(jù)點(diǎn)存在，且在任一方向分散性不大時(shí)，采用這一選項(xiàng)。 如上 2）、 3）、 4）、 5） 所述，經(jīng)查閱相關(guān)資料，本次設(shè)計(jì)采用如下圖所示的SN 曲線數(shù)據(jù)： 35 表 QT400 指定存活率的疲勞極限數(shù)據(jù) σ1 σ2 σ3 σ4 σ5 a p b p 387 348 319 289 260 N50 N90 N95 N99 表 HT300 指定存活率的疲勞極限 數(shù)據(jù) σ1 σ2 σ3 σ4 a p b p 178 166 153 140 N50 N95 —— —— —— —— 備注 Log N p= a p+ b p *logσ σ1≥σ≥σ4 備注： 應(yīng)力 —— MPa 疲勞壽命 —— x10^3 存活率 —— % 應(yīng) 力 疲 勞 壽 命 存 活 應(yīng) 力 疲 勞 壽 命 存 活 36 圖 HT300 PSN 曲線圖 圖 QT40018 PSN 曲線圖 6）交替應(yīng)力的計(jì)算 交替應(yīng)力 Salt 的定義為 Salt=（ S maxS min)/2。然而這并不所需要的，它的應(yīng)力分量才適用于計(jì)算。在 Solid Works Simulation 中提供如下選項(xiàng)： 37 ⑴ 應(yīng)力強(qiáng)度 （ P1P3)，等于材料指定點(diǎn)處最大剪切應(yīng)力數(shù)值的兩倍 。 ⑵ von Miss 應(yīng)力 。 ⑶ 最大主應(yīng)力 P1。 QT40018 和 HT300 都屬于脆性材料，所以本次設(shè)計(jì)分析采用最大主應(yīng)力 P1進(jìn)行交替應(yīng)力計(jì)算。 7）平均應(yīng)力影響 因?yàn)槟Ｐ椭懈鱾€(gè)部位的應(yīng)力水平是不同的，所以模型中 S max、 S min 以及S mean 的值也是變化的。材料每個(gè)點(diǎn)都會承受不同的平均應(yīng)力大小。由于平均應(yīng)力對抗疲勞能力有很大影響，允許采用不同的應(yīng)力比（ R），并為材料輸入 10種 SN 曲線。通常，只有對稱循環(huán)（ R)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到。平均應(yīng)力的影響可以用 Goodman、 Gerber 和 Soderbergecause 平均應(yīng)力糾正算法來近似計(jì)算 。 8） 平均應(yīng)力糾正 對每種材料類型的各種應(yīng)力比率來說，平均應(yīng)力的影響最好通過輸入各自的Salt 來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)檫@些都不具有通用性，所以產(chǎn)生了多個(gè)理論： ⑴ Gerber實(shí)驗(yàn)顯示適用于韌性材料。 ⑵ Goodman推薦用于脆性材料。 ⑶ Soderberg拉應(yīng)力狀態(tài)下的屈服強(qiáng)度準(zhǔn)則。 如圖 顯示了 3 種標(biāo)準(zhǔn)的影響 。 圖 不同的應(yīng)力修正法 38 橫軸顯示了平均應(yīng)力 S mean 與以上材料最大拉伸強(qiáng)度 S ultimate 比值的大小，縱軸顯示了不同平均應(yīng)力水平時(shí)材料的疲勞強(qiáng)度與對稱循環(huán) （ R=1） SN 曲線得到的材料疲勞強(qiáng)度的比值。 圖（除 Gerber)也從實(shí)驗(yàn)上證明了：當(dāng)平均應(yīng)力 S mean 為壓力時(shí)，材料的疲勞強(qiáng)大也隨之增長。 基于 7）、 8） 所述原因，本次設(shè)計(jì)采用 Goodman 理論進(jìn)行計(jì)算分析。 9） 線性 疲勞判斷 準(zhǔn)則： ⑴ 損壞百分比，即結(jié)構(gòu)消耗生命的比例；損壞百分比必須小于 100%，否則疲勞失效； ⑵