压机失效零件疲劳寿命的多因素仿真试验方法研究

□ 蒋振辉 □ 单 俊 □ 许黎明 □ 范 灏 □ 胡德金

1.上海交通大学机械与动力工程学院 上海 200030

2.上海第三机床厂 上海 201600

产品的疲劳寿命是产品设计过程中的一项重要性能指标。目前产品的疲劳寿命分析主要包括两个方法，即传统的实物样机实验法和基于计算机技术的疲劳分析法［1］。传统的疲劳分析主要通过实物样品的疲劳试验来评估和预测其疲劳性能，这种方法成本高、周期长，需要耗费大量的人力、物力、财力。基于计算机技术的疲劳分析方法发展迅速，通过疲劳分析软件，设计人员可以在设计阶段模拟分析产品在设定工况下的疲劳寿命，找出薄弱环节并对之进行改进［2-3］。这种方法可以大大降低设计成本、缩短研发周期、提高产品可靠性。笔者以自主开发的某新型汽车控制臂前衬套压机关键零件为对象，研究一种零件疲劳寿命的多因素仿真试验方法。首先对失效零件作静力学分析，确定其失效原因，然后研究可能影响零件疲劳寿命的各个因素多水平条件下对疲劳寿命的影响规律，最后给出相应的提高零件疲劳寿命的改进方法。

1 失效零件建模和强度分析

压机关键零件U型块的工作情况如图1所示，该零件通过螺纹连接安装在连接板上，它是压机的一个重要受力件。压机将衬套压入控制臂时，U型块前端面上的垫片抵住控制臂前衬套套筒，压装力由前端面承受；对衬套进行回拉整形及将衬套反压出控制臂套筒时，U型块后端面上的垫片支承控制臂套筒，此时由后端面承压。在样机投入批量试压后期，发生了U型块后端面断裂失效情况。

利用三维软件UG建立零件的三维模型，选取ANSYS Workbench作为软件仿真平台。三维模型由U型块和后端面垫片组成，它们之间通过螺栓连接。零件材料是40Cr，材料属性见表1。

表1 U型块材料参数

通过对模型进行网格划分，并对U型块后端面拐角处网格进行局部细化，使求解结果更加精确。根据压机实际工作情况，后端面承受整形力或反压力，其中反压力约为10 kN，整形力约为5 kN左右，设计中考虑安全因子，取反压力大小为15 kN，加载在垫片下端。对U型块的约束则是其上部4个螺栓孔固定，U型块的应力分布云图如图2所示，分析可见，最大应力出现在后端面拐角处为795 MPa，仍在40Cr的强度极限内。但在实际工作过程中，后端面拐角处却发生了断裂失效情况，故可认为是疲劳失效。

▲图1 零件工作示意图

▲图2 零件应力云图

在不改变材料的情况下，分析影响零件疲劳寿命的主要因素有：载荷力、零件后端面厚度、后端面安装孔位置、后端面拐角，其中拐角处圆角大小影响应力集中程度，从而影响零件疲劳强度。

2 疲劳寿命仿真结果

根据对失效零件疲劳强度影响因素的分析，通过仿真软件模拟多因素对零件疲劳强度的影响规律。材料是 40Cr，其疲劳寿命曲线的 Basquin 方程［4］为

表2 疲劳分析部分参数设置

表3 仿真试验因素水平表

式中：Nf为载荷加载次数；σa为相应的疲劳强度，MPa。

Nf取一系列离散值得到的离散点作为疲劳寿命仿真的重要条件。疲劳分析的其它参数设置见表2，其中疲劳强度因子，主要是考虑实际工件与测得寿命曲线的试件工况差异而选取的材料疲劳性能的降低系数；载荷类型则是根据工件实际“加载-卸载-加载”的受力情况而选取的。疲劳分析时的网格划分、载荷加载部位及约束条件同上文的强度分析。仿真试验的因素水平选取见表3。

2.1 载荷对疲劳寿命的影响

在后端面厚度13 mm、后端面螺纹孔距顶面7 mm、圆角半径2 mm的情况下，改变零件上载荷大小，零件寿命云图如图3所示，其中图3（a）～（d）分别对应载荷 11 kN、13 kN、15 kN 和 17 kN。

零件疲劳寿命随后端面载荷大小的变化趋势如图4所示，可见，零件的疲劳寿命随其后端面上载荷的增大近似成二次方关系减小。因此，载荷是影响疲劳寿命的重要因素。

2.2 端面厚度对疲劳寿命的影响

在载荷15 kN、后端面螺纹孔距顶面7 mm、圆角半径2 mm的情况下，对后端面的厚度进行4个水平试验，其疲劳寿命随后端面厚度的变化趋势如图5所示，可见，零件的疲劳寿命随后端面厚度的增加近似二次方关系增加。

2.3 后端面螺纹孔距离对疲劳寿命的影响

在载荷15 kN、后端面厚度15 mm、圆角半径2 mm的情况下，改变后端面螺纹孔离顶面距离，取7 mm、8 mm和9 mm 3个水平，零件疲劳寿命随后端面上螺纹孔位置的变化趋势如图6所示，当螺纹孔距离增加时，其疲劳寿命近似线性增加。可见，螺纹孔对后端面拐角的强度有削弱作用，从而影响到零件的疲劳寿命。

2.4 后端面圆角半径对疲劳寿命的影响

在载荷15 kN、后端面厚度15 mm、后端面螺纹孔距离顶面9 mm的条件下，后端面圆角半径分别取1 mm、2 mm、3 mm、4 mm 4个水平，仿真结果显示的零件疲劳寿命随圆角半径的变化趋势如图7所示，结果表明，当圆角半径增大时，其疲劳寿命近似线性增加。可见，圆角的大小会影响该处应力集中的程度，从而影响零件的疲劳寿命。

▲图3 不同载荷下的零件寿命云图

▲图5 不同后端面厚度下零件疲劳寿命

▲图4 不同载荷下零件疲劳寿命

▲图6 螺纹孔不同位置对应的零件疲劳寿命

▲图7 不同圆角大小对应的零件疲劳寿命

根据以上仿真结果分析，最终将零件后端面厚度由13 mm增加到15 mm，达到设备结构所能接受的上限；将后端面安装孔位置设为9 mm，后端面圆角增大到4 mm，同时，适当降低压机反压时的速度，以减小反压时的冲击。通过改进措施，再对零件的疲劳寿命进行分析，得到零件最容易失效的后端面拐角处疲劳寿命为2.98×106次，满足了设计、工艺要求。改进后的零件已在生产中满负荷正常工作超过一年。

3 结论

笔者针对衬套压机失效零件的疲劳寿命进行了基于多个影响因素的仿真分析，结果表明，通过对零件疲劳寿命的单因素多水平的仿真试验，可以揭示不同因素对零件疲劳寿命的影响规律，预测零件在给定工艺和结构条件下的疲劳寿命，大大降低了设计和试验成本，仿真结果通过了试验验证。笔者提出的多因素的疲劳寿命仿真试验方法对其它设备中关键零件的疲劳寿命的分析和预测具有很好的参考价值。

［1］阮晓亮，李彦生，何强.基于虚拟样机技术的微型客车白车身疲劳寿命分析 ［J］.机械设计与制造，2012 （6）：196-198.

［2］李先锋，杨建伟，贾志绚.基于Workbench车辆减振器弹簧盘的疲劳分析［J］.北京建筑工程学院学报，2012（2）：50-55.

［3］王碧石，孙黎，王春秀.风力发电机齿轮箱扭力轴的疲劳分析［J］.机械设计与制造，2009（9）：155-157.

［4］王弘，高庆.超声疲劳试验方法在40Cr钢疲劳性能研究中的应用［J］.机械工程材料，2003（12）：29-31.