基于ANSYS/FE-SAFE的液压扳手连杆疲劳寿命仿真分析

杨金平，于忠海

(1.上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)

(2.上海电机学院 机械学院，上海 200245)

基于ANSYS/FE-SAFE的液压扳手连杆疲劳寿命仿真分析

杨金平1,2，于忠海1,2

(1.上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)

(2.上海电机学院 机械学院，上海 200245)

使用UG软件对液压扳手进行三维建模，分析关键部件连杆在工作中所受的载荷，通过ANSYS软件与FE-SAFE软件的结合，对液压扳手连杆在工作时所受的交变载荷进行仿真并计算出其使用寿命。仿真结果与试验数据的对比结果表明，该仿真分析方法可靠，可为液压扳手其他零部件的疲劳寿命分析提供一种可行的思路。

液压扳手；连杆疲劳寿命；ANSYS/FE-SAFE；仿真

我国是全球第一制造业大国，但竞争力却远低于发达国家。国产产品大多以经验设计或仿造为主，在可靠性和耐久性方面缺乏保证，这也是与工业发达国家产品存在差距的一个重要原因。我国正处于从制造大国向制造强国的转型期，逐渐从仿造走向创新设计，因而在设计过程中对产品的疲劳寿命进行仿真分析显得尤为重要。

机械零件的3类主要破坏形式是腐蚀、磨损及断裂，同时这也是机械零件失效的3个主要因素[1]。其中腐蚀和磨损过程缓慢，通过定期维修或更换零件就可以解决，而断裂经常是突然发生的，常常导致严重的设备事故和人身伤害，所以工程界更加重视疲劳断裂破坏。

1 液压扳手及其连杆模型的建立

随着我国不断前进的工业化步伐，大型机械设备使用得越来越广泛。一些大型设备的制造由于加工、装配、运输、维修等原因无法制成一体，必须制成几个分体或部件，然后通过大直径高强度螺栓连接装配成一体，使其完成设计者预期的功能。这些螺栓在设备工作期间起着保持设备完整性的关键作用，其失效造成的后果和损失往往是不可估量的，液压扳手就是为这些关键螺栓的上紧和拆卸专门设计的提供可控预紧力的液压螺栓工具。利用UG建立液压扳手的三维模型(如图1所示)，然后将关键部件连杆(如图2所示)导入ANSYS，利用FE-SAFE对连杆进行疲劳寿命分析。

2 关于ANSYS/FE-SAFE软件及其算法选择

ANSYS-SAFE是ANSYS公司与英格兰的安全技术公司紧密合作的产品，FE-SAFE模块是专用的高级疲劳分析模块，具有友好的用户界面。它与许多有限元软件和后处理器都有数据接口，可方便地进行疲劳分析的数据准备，所输入的材料数据、载荷及载荷组合数据均可图形化显示。ANSYS/FE-SAFE先进的疲劳计算技术，具有很高的精度，对各类非金属、金属及合金等材料都适用。

ANSYS/FE-SAFE模块包含单轴应力、正应变、Von Mises应变、Brown-Miller等多种疲劳损伤模型。在实际问题中，单轴数据出现得比较少，一般选用多轴算法。多轴算法可使用局部应变材料参数及材料的S-N曲线来完成。多轴算法是一种临界平面算法，当使用弹性应力时，可提供多轴弹塑性修正。应力和应变被分解到一系列平面上，这些平面以10°间隔交叉扫描[2]。在每个平面上获得疲劳循环，并对平均应力进行修正，最终通过计算得到疲劳寿命。该方法使用剪应变与直接应变的合成值以及下面方程所定义的寿命曲线：

3 ANSYS/FE-SAFE的仿真过程

ANSYS与FE-SAFE软件相结合的疲劳寿命仿真过程主要包括以下几个步骤：

a.有限元计算。通过ANSYS软件对部件进行网格划分及有限元分析，得到相应的结果文件。

b.有限元结果读入。进入FE-SAFE软件工作界面，调入有限元结果，并确认有限元文件的单位制。

c.疲劳载荷定义。进入载荷编辑器，定义疲劳载荷的历程系数。

d.材料疲劳参数定义。在材料库中点击所需材料，也可以通过材料的疲劳特性参数自行定义。

e.疲劳计算。计算设置强度因子FOS，并点击Analyse开始计算。

f.疲劳计算结果查看。回到ANSYS界面，选择疲劳计算结果文件进行查看。如果结果不符合设计要求，可进行相应的优化设计。

4 液压扳手的ANSYS静强度分析

液压扭矩扳手是以液压为动力源，通过液压推力缸推动摇臂，带动棘轮机构旋转，从而输出拆装螺栓所需的扭矩。

液压扳手连杆为锻件，材质为40CrMo，其弹性模量为2.12×105MPa，泊松比为0.28[3]。实体网格划分选用Solid Brick 8 node 185单元，为保证足够的计算精度，尺寸等级选为4，网格划分结果如图3所示。液压扳手的工作压力高达70MPa。根据液压扳手的结构特点和实际约束情况，对连杆球铰接处采用完全约束，使得刚性位移消除。

通过ANSYS计算，将结果保存为rst格式文件，其等效应力云图如图4所示。从图4可以看出，连杆最大应力值为317MPa，位置在孔销连接处。

5 疲劳分析结果

将ANSYS有限元分析结果导入FE-SAFE软件进行疲劳分析，FE-SAFE生成的疲劳分析结果也是rst格式的文件，相应的疲劳寿命云图需要通过ANSYS的后处理模块来读取。如图5(a)所示。

通过云图可以发现，疲劳破坏的位置出现在销孔连接处，而其他部位疲劳寿命都大于1×107次。在实验过程中也发现，出现疲劳破坏的位置都在销孔连接处。因此，为了清楚地显示连杆破坏的具体位置及相应的对数疲劳寿命，将销孔位置放大显示，如图5(b)所示。可以看出，最容易发生疲劳破坏位置的疲劳寿命为N=105.242=174 582次。其中，5.242是疲劳寿命云图液压扳手连杆对数中的最小值。

采用5台频率为300Hz的高频疲劳试验机对连杆进行疲劳试验，对5个连杆同时加载70MPa交变应力，得出每个连杆出现断裂的时间(见表1)。

根据5个连杆的断裂时间求出平均断裂时间，疲劳试验机的加载频率为300次/min，从而得到平均加载次数为171 420次。液压扳手按每年工作300天、一天需要工作30次计算，连杆的寿命为19年，远大于液压扳手的设计寿命10年，符合设计要求。仿真计算得到的疲劳寿命与连杆试验所得疲劳破坏的寿命相近，说明该分析方法是可行的。

6 结论

a.疲劳仿真的计算结果与实际寿命相差小于2%，说明基于ANSYS/FE-SAFE的疲劳寿命仿真是一种可行的方法。

b.实际寿命略低于仿真计算寿命，这主要是因为实际工况比模拟的工况复杂。因此，在仿真过程中会出现一定的误差。

c.结合ANSYS-SAFE来设计产品，可在样品生成之前进行疲劳分析与优化设计，有助于等寿命周期设计的实现，可以大大降低样品的制造与寿命试验所需的费用。

d.通过对液压扳手连杆的仿真分析，为液压扳手其他零部件的仿真提供了一种可行的方法。

[1] 徐灏．疲劳强度[M]．北京：高等教育出版社，1988：90-108.

[2] 姜年朝．ANSYS和ANSYS/FE-SAFE软件的工程应用及实例[M]．南京：河海大学出版社，2006：72-92.

[3] 马九荣．机械工程材料性能数据手册[M]．北京：机械工业出版社，1995：225-235.

The simulation analysis on the fatigue life of the connecting rod for hydraulic wrench with ANSYS/FE-SAFE

YANG Jinping1,2,YU Zhonghai1,2

(1.University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China)

(2.Shanghai Dianji University, Shanghai, 200245, China)

Based on UG software, it builds the 3D modeling for the hydraulic wrench, analyzes the load of the critical component connecting rod in working process. Using ANSYS software and FE-SAFE software, it simulates the alternating load in the connecting rod of hydraulic wrench and calculates its useful life. Then, it compares the simulation result with the experimental data and finds that these two results are very close. This comparison proves that the simulated analysis is reliable. It provides a workable way for the fatigue life analysis for other components of hydraulic wrench.

hydraulic wrench; connecting rod; fatigue life; ANSYS/FE-SAFE; simulation

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.02.009

2015-01-19

杨金平(1987—)，男，江西上饶人，上海理工大学硕士研究生，主要研究方向为液压工具的可靠性。

TH164

A

2095-509X(2015)02-0035-03