陶瓷液压机上横梁的有限元疲劳寿命研究

吴南星 陈常清 黄志诚

（景德镇陶瓷学院机电学院，江西景德镇333403）

1 前言

压机是陶瓷工业设备中的一种重要陶瓷生产设备，常见的液压机通常是三梁四柱，主要由液压缸、上横梁、下横梁、活动横梁和立柱组成（1）。由于陶瓷成型工艺的特殊性，陶瓷液压机在连续工作的情况下工作时要求保持很高的稳定性和可靠性。在陶瓷液压机的结构中，机架是液压机最关键的主要部件。这要求机架有足够的刚度，可以保证强度和可靠性，与此同时，由于陶瓷液压机的连续工作情况下的频率高达10000次/日以上，所以陶瓷液压机还需要具备高强度的疲劳抗力和长的疲劳寿命。因此，我们通过PRO/E建立压机的三维模型和通过ansys有限元软件对四柱陶瓷液压机的上横梁进行应力分析和疲劳寿命的研究，可以为优化陶瓷液压机的结构设计提供参考。

2 压机上横梁的有限元分析

决定陶瓷液压机上横梁寿命最重要的一个数据是上横梁工作时的拉应力幅值，所以在进行寿命设计之前应该通过ansys有限元软件对上横梁的有限元分析来求得这一数值。ANSYS软件具有如下功能可对液压机上横梁的疲劳（2）进行研究：（1）后处理所得到的应力结果来确定体单元或壳单元模型的疲劳寿命耗用系数（用作疲劳计算的线单元模型的应力必须人工输入）；（2）可以在一系列预先选定的位置上，确定一定数目事件及组成这些事件的载荷（一个应力状态），然后把这些位置上的应力储存起来；（3）可以在选定的位置上定义应力集中系数和每一个应力循环定义比例系数。得到累积疲劳寿命耗用系数，该系数小于1，则是可行的。然后再用传统的疲劳分析理论与之比较，通过海线图把个节点将应力幅值表示出来，以此来判断横梁的疲劳寿命。

2.1 液压机横梁的一般参数

横梁的材料为铸钢，牌号为ZG270-50，其特性系数及力学性能如下：屈服极限270MPa，强度极限500MPa，对称循环极限180MP，最大工作压力为21000kN，每根拉杆的预紧力为5.5MN。

由图1可知，横梁是一个结构对称的零件，因此，可取其四分之一进行有限元分析。这样既可以增加计算单元的数目，提高计算精度，同时又不至使计算量过大。网格划分时，我们选取四面体单元，并采用单元自动划分方法，并在内孔和R40圆弧部位进行单元细划（3），如图2所示，分析模型的节点数为33671，单元数为15486。

2.2 分析计算

有限元疲劳分析应在取得强度分析应力分布的基础上，再以材料的疲劳特性为依据进行疲劳计算（4）。下面首先对陶瓷液压机的上梁进行强度分析，并在此基础上对压机的整体疲劳寿命进行分析计算。

表1 各个循环次数下的应力极限Tab.1 Ultimate stress for differentnumber of cycles

表2 采样点的主应力和应力幅Tab.2 Principalstress and stress am plitude of each sam pled point

2.2.1 强度分析

强度分析结果及最大应拉、压力（MX）所在位置如图3、4所示，最大的von-mises发生在横梁上压螺母处，应力值为178.665MPa，但此处为压应力，小于许用应力，最大拉应力发生在R40圆弧部位，其Vonmises应力值约为95MPa，它才是引起横梁疲劳失效的主要因素。

2.2.2 疲劳分析

（1）有限元疲劳分析

由其疲劳曲线p-S-N和疲劳曲线logNp=ap+bplogσ（式中：p=90％时，ap=26·9080，bp=8·4102），可以计算出各个循环次数下的应力极限，如表1所示。把表1中的数据输入到ANSYS进行疲劳计算，累积疲劳寿命耗用系数为0.6865，小于1，说明该上梁不会发生疲劳破坏。

（2）传统疲劳计算

各种实践证明，通过ansys对陶瓷液压机机进行静力分析、接触分析和动力学分析的结果，与实际物理样机的实验结果具有高度的一致性。因此，可从ANSYS静力分析结果中，导出一些特殊点的应力值（见表2），用于计算出应力幅，进而作出海（haigh）线图，由此来判断液压机的上横梁是会出现疲劳失效。

根据节点的主应力和应力幅，建立图5所示海线图，其中阴影部分为采样点所处位置，由图可见这些均在LMK折线下，表示采样点处的疲劳裂纹不会发生扩展，故采样点处不会发生疲劳破坏。可见：利用有限元疲劳分析得出的结果，与传统海线图所得的疲劳分析结果是相符合的，这说明陶瓷液压机压机上横梁结构有限元疲劳分析的可靠性和准确性。

3 结论

由强度分析可知，该上梁结构所受的最大应力（95MPa）远小于其材料的屈服极限和强度极限，上梁在实际工作过程中不会发生静力破坏。由疲劳分析可知，累积疲劳寿命耗用系数为0.6865，故陶瓷液压机上梁结构最大应力发生位置处不会发生疲劳破坏，在结构优化、节省材料成本方面仍有空间。

1张柏清等.全自动液压压砖机.南昌：江西科学技术出版社，2002

2ANSYS，Inc.Basic AnalysisProceduresGuide.Release5.7.2003

3黄志诚，胡伟文.全自动液压压砖机上横梁有限元分析.机械设计与制造，2007，9

4王勖成，邵敏.有限单元法基本原理和数值方法，北京：清华大学出版社，1995