【正文】 4） 應(yīng)力分析 曳引機(jī)受 125%額定載荷平穩(wěn)運(yùn)行中機(jī)座和端蓋的 von Mises 應(yīng)力分布狀況如下圖 ，其中最大值為 aMP 。其余應(yīng)力水平較高區(qū)域如圖所示，發(fā)生在機(jī)座和端蓋軸承裝配前端處，約為 4 aMP 。由圖 可知，應(yīng)力最大值發(fā)生在機(jī)座后地腳螺栓連接處，其余應(yīng)力水平較高區(qū)域如圖所示，主要分布在機(jī)座及端蓋軸承裝配處前端，這與曳引機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)情況 aMP 相差 31%。 2）應(yīng)變分析 圖 端蓋應(yīng)變分布云圖（曳引機(jī) 125%額定載荷平穩(wěn)、加速運(yùn)行，材料 QT400） 由圖 可知，端蓋的最大應(yīng)變處均在端蓋軸承配合面連接處。由下圖可知，最大值發(fā)生在端蓋軸承配合面連接處。 由圖 和圖 可知，端蓋的最小應(yīng)變、應(yīng)力均在端蓋與機(jī)座的螺栓連接處，與實(shí)際情況不相符合，因?yàn)檫@里是假定的螺栓連接位置，為了簡化分析，本次分析在定義端蓋和機(jī)座連接關(guān) 系時(shí)，以“結(jié)合”為連接關(guān)系，因此這個(gè)部位的應(yīng)變、應(yīng)力是不真實(shí)的，這里需要對(duì)螺栓接頭進(jìn)行更加詳細(xì)的仿真。利用安全系數(shù)分布云圖，可以對(duì)零部件進(jìn)行優(yōu)化分析，節(jié)省材料，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。 機(jī)座及端蓋采用 HT300 材料 1）位移分析 為了比較不同材料對(duì)機(jī)座和端蓋的強(qiáng)度，剛度等情況，這里采用 HT300 分析其靜力學(xué)性能的結(jié)果。由圖中可知，位移最大的位置在機(jī)座頂部前端，其值為 ，在相同工況下， QT400 的最大位移值為 ，兩者相差 65%。由圖中可知，位移最大的位置在機(jī)座頂部前端，其值為 在相同工況下， QT400 的最大位移值為 ，兩者相差 65%。由圖可知，最大值發(fā)生在機(jī)座后地腳螺栓連接處。在相同工況下， QT400 的最大應(yīng)力值為 aMP ，兩者相差 %。兩者相差 30%。 28 圖 端蓋位移量分布云圖（曳引機(jī) 125%額定載荷平穩(wěn)和加速運(yùn)行，材料 HT300） 圖 為曳引機(jī)受 125%額定載荷平穩(wěn)和加速運(yùn)行中端蓋的 von Mises 應(yīng)力分布狀況，其中最大值分別為 aMP 和 aMP ,在相同工況下 QT400 最大值分別為 aMP 和 aMP ,兩者差別甚少。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(duì)機(jī)座和端蓋進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)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。 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(huì)對(duì)產(chǎn)品造價(jià)成本影響很大。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%。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(dòng)過程中，即使物體所承受的應(yīng)力在許可范圍之內(nèi)，也會(huì)遭到破壞，這種現(xiàn)象被稱為疲勞。應(yīng)力波動(dòng)的每一個(gè)周期都會(huì)或多或少的損壞物體。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(tái)、艦船、車軸、橋梁、骨骼等。 影響零件壽命的主要失效形式是腐蝕，磨損和疲勞。裂紋可能出現(xiàn)在材料的任何位置，但通常會(huì)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(dòng)。 階段 2:由于持續(xù)加載，導(dǎo)致部分或所有裂紋萌生。 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。 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。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(huì)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?？紤]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。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(píng)估設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度或者耐久性。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。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。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。 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。 S alt 為交替的應(yīng)力幅。平均應(yīng)力的大小對(duì)結(jié)構(gòu)體抗疲勞能力具有顯著影響。 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。對(duì)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(huì)用到時(shí)間。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。承受極限即 不發(fā)生疲勞失效時(shí)對(duì)應(yīng)的最高交替應(yīng)力。承受極限通常定義為對(duì)稱循環(huán)的交替應(yīng)力。某些金屬?zèng)]有一個(gè)可以測(cè)量的承受極限。基于這個(gè)原因，大多數(shù)設(shè)計(jì)手冊(cè)都建議采用一個(gè)可靠系數(shù) ，這降低了疲勞強(qiáng)度。 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(cè)試來獲取。大多數(shù)情況下，曲線是由單軸對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力周期的疲勞測(cè)試中獲取的。 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(duì)數(shù)：對(duì)循環(huán)數(shù)和交替應(yīng)力采用對(duì)數(shù)內(nèi)插法（底數(shù)為 10）。 半對(duì)數(shù) 對(duì)應(yīng)力采用 線性插值，二對(duì)循環(huán)次數(shù)采用對(duì)數(shù)插值法。 線性：對(duì)循環(huán)數(shù)和交替應(yīng)力都、采用線性插值法。 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。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 。 ⑶ 最大主應(yīng)力 P1。 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。由于平均應(yīng)力對(duì)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。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 。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。 ⑶ Soderberg拉應(yīng)力狀態(tài)下的屈服強(qiáng)度準(zhǔn)則。 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(duì)稱循環(huán) （ R=1） SN 曲線得到的材料疲勞強(qiáng)度的比值。 基于 7）、 8） 所述原因，本次設(shè)計(jì)采用 Goodman 理論進(jìn)行