朱 軍

(無錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無錫 214028)

基于Workbench的電動堆高車傳動件的疲勞分析

朱 軍

(無錫機(jī)電高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 無錫 214028)

電動堆高車是從事搬運(yùn)作業(yè)的常用車輛，其傳動、連接件的設(shè)計(jì)將直接影響整個產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命。利用有限元軟件在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期就對其進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞分析，可以大大降低產(chǎn)品研制費(fèi)用，縮短設(shè)計(jì)周期。使用ANSYS Workbench軟件，導(dǎo)入連接桿的三維模型，并對其進(jìn)行靜力學(xué)分析、疲勞分析，得出其最大應(yīng)力位置及疲勞壽命，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

傳動件；有限元；疲勞壽命；Workbench; 電動堆高車

0 引言

堆高車是進(jìn)行貨物裝卸、堆高和短距離搬運(yùn)作業(yè)的輪式搬運(yùn)車輛。在頻繁搬運(yùn)、裝卸重物時，它的傳動連接件不斷承受沖擊載荷，極易發(fā)生疲勞磨損，引發(fā)疲勞斷裂，威脅操作人員及周邊人員的人身安全。傳統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度檢測方法是進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，需要加載交變載荷，通過多次循環(huán)加載測得其最大應(yīng)力，試驗(yàn)成本高。采用有限元分析軟件ANSYS Workbench來進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析能縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)時間，降低設(shè)計(jì)成本。本文以某堆高車的導(dǎo)輪軸及鏈條連接桿為主要研究對象，使用UG軟件進(jìn)行三維建模，通過UG與ANSYS Workbench的連接接口導(dǎo)入數(shù)據(jù)模型，利用Workbench對其進(jìn)行靜力學(xué)分析及疲勞強(qiáng)度分析。

1 堆高車承重部件三維建模

該堆高車為小型電動堆高車，設(shè)計(jì)承載500 kg，貨叉長420 mm，間距330 mm，為方便搬運(yùn)散件，在貨叉上配置托盤(可拆卸)。導(dǎo)輪座直接與支撐連接板連接、固定，導(dǎo)輪軸與導(dǎo)輪座連接，鏈條連接桿安裝在導(dǎo)輪軸上，如圖1、圖2所示。

圖1 堆高車承重部件中各零件三維模型

2 靜力學(xué)分析

2.1 定義模型材料屬性

實(shí)體模型主要采用兩種材料：一種是具有較高強(qiáng)度、韌性和耐磨性的45鋼；一種是含碳量較低、韌性和塑性較好的Q235A。具體材料屬性見表1。

圖2 堆高車承重部件裝配后的實(shí)體模型

材料名稱彈性模量GPa泊松比抗拉極限強(qiáng)度MPa密度kg/mm3模型名稱45鋼2100.316247.85×10-6導(dǎo)輪軸、鏈條連接桿Q235A2120.2884557.85×10-6貨叉、托盤、支撐連接板、導(dǎo)輪座

2.2 網(wǎng)格劃分

在DesignModeler模塊中使用Attach to Active CAD File命令導(dǎo)入UG模型，實(shí)現(xiàn)模型的雙向關(guān)聯(lián)性。將6個實(shí)體組成一個多體部件，以保證每個實(shí)體都能獨(dú)立劃分網(wǎng)格，且兩個實(shí)體間的接觸區(qū)域網(wǎng)格是連續(xù)的。使用Hex Dominant和Sweep對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后結(jié)果如圖3所示，共計(jì)57 212個單元，20 5006個節(jié)點(diǎn)。

2.3 施加載荷及邊界條件

為了使數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果盡可能準(zhǔn)確，要求施加的邊界條件和載荷與實(shí)際工況相接近。在實(shí)際工作中托盤放置重物(堆高車設(shè)計(jì)載荷500 kg)，受到垂直向下的壓力；鏈條連接桿受到向上的拉力；導(dǎo)輪座在立柱中能上下移動，不能左右移動。為了能準(zhǔn)確模擬鏈條向上拉動鏈條連接桿時的受力情況，將鏈條連接桿受力面進(jìn)行分割，添加向上5 000 N的力，如圖4所示。托盤添加向下的力5 000 N，導(dǎo)輪座設(shè)置為X、Y方向的位移為0，Z方向位移Free，如圖5所示。

圖3 劃分網(wǎng)格后的模型

圖4 鏈條連接桿受力情況 圖5 導(dǎo)輪座約束示意圖

為簡化分析，忽略了零件間螺栓連接時產(chǎn)生的預(yù)緊力，定義各零件之間的接觸為Bonded，不允許零件間有相對滑動或分離。

2.4 模型應(yīng)力分析結(jié)果

針對上述載荷和約束情況，使用Workbench仿真分析后獲得堆高車承重部件的變形云圖(見圖6)和應(yīng)力云圖(見圖7)。

圖6 堆高車承重部件變形云圖

圖7 堆高車承重部件應(yīng)力云圖

從圖7可以發(fā)現(xiàn)堆高車承重部件的應(yīng)力最大值為527.52 MPa，發(fā)生在鏈條連接桿的內(nèi)孔上部區(qū)域(如圖8所示)，該位置為鏈條與鏈條連接桿的連接處，由此可以判斷出部件中受力最大、最易發(fā)生斷裂的零件為鏈條連接桿。本產(chǎn)品設(shè)計(jì)時鏈條連接桿采用45鋼，其抗拉極限強(qiáng)度為624 MPa，大于應(yīng)力云圖中的最大壓力，因此該設(shè)計(jì)是安全的。

圖8 鏈條連接桿處應(yīng)力云圖

3 疲勞分析

疲勞就是材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下, 在一處或幾處產(chǎn)生永久性累積損傷, 經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程[1]。疲勞壽命是指材料在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。疲勞壽命的估算分為裂紋形成階段壽命估算和裂紋擴(kuò)展階段壽命估算兩部分。常用的疲勞壽命計(jì)算方法包括名義應(yīng)力壽命法、局部應(yīng)變壽命法和裂紋擴(kuò)展計(jì)算法。本設(shè)計(jì)采用名義應(yīng)力有限壽命設(shè)計(jì)法，它以材料或零部件的S-N曲線為基礎(chǔ)，利用名義應(yīng)力或局部應(yīng)力和壽命之間的關(guān)系, 針對材料內(nèi)線性彈性應(yīng)力進(jìn)行分析[2-3]。

材料S-N曲線一般都是用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)得出的, 其常用表達(dá)式為：

lgN=a+blgσ.

(1)

其中：N為疲勞壽命，次；σ為名義應(yīng)力，MPa；a為材料常數(shù)；b為斜率參數(shù)。

45鋼和Q235A的a、b值和轉(zhuǎn)折點(diǎn)壽命N0見表2。

表2 兩種材料的S-N曲線a、b值和轉(zhuǎn)折點(diǎn)壽命N0

部件最大應(yīng)力發(fā)生在鏈條連接桿處，因此以鏈條連接桿和導(dǎo)輪軸作為疲勞分析的主要對象。導(dǎo)輪軸的幾何形狀、尺寸與試件差異不大，直接以表中的數(shù)據(jù)繪制其S-N曲線，如圖9所示。

圖9 導(dǎo)輪軸、鏈條連接桿S-N曲線

由于鏈條連接桿與試件外觀、形狀有所差異，因此要對鏈條連接桿材料的S-N曲線進(jìn)行修正。經(jīng)研究表明：缺口、尺寸和表面加工等影響因素，在疲勞壽命N≤103以前無影響，在N≥N0以后使其疲勞強(qiáng)度降低KσD倍，在103～N0之間在雙對數(shù)坐標(biāo)上呈線性變化。KσD由下式計(jì)算：

(2)

其中：Kσ為有效應(yīng)力集中系數(shù)；β為表面系數(shù)；ε為尺寸系數(shù)[4]。經(jīng)修正后，鏈條連接桿的S-N曲線如圖9所示。施加不對稱循環(huán)載荷，載荷最大值為設(shè)計(jì)承重的80%，分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 部件疲勞壽命云圖和安全系數(shù)云圖

從圖10中可以看出，在不對稱循環(huán)載荷作用下，疲勞壽命的最小值出現(xiàn)在鏈條連接桿與鏈條連接處，最小疲勞壽命為7.93萬次，最小安全系數(shù)為0.75。說明鏈條連接桿與鏈條結(jié)合部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象, 在長期的變化載荷作用下會產(chǎn)生疲勞破壞。

4 結(jié)論

本文使用Workbench對堆高車的傳動件進(jìn)行了靜力學(xué)分析，獲得應(yīng)力云圖，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了疲勞分析，模擬其在不對稱循環(huán)載荷下的工況，得出部件的最小疲勞壽命。文中分析得出，在進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，除了要考慮其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之外，還要考慮零件在交變載荷下的使用壽命, 并進(jìn)行疲勞分析。在產(chǎn)品開發(fā)初期就將零部件使用壽命納入設(shè)計(jì)范圍，利用有限元軟件進(jìn)行基于疲勞壽命的優(yōu)化設(shè)計(jì),可有效預(yù)測產(chǎn)品的使用壽命，減少產(chǎn)品試制費(fèi)用，縮短研發(fā)和測試周期。

[1] 張志文.鍛造工藝學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1983.

[2] 余偉煒,高炳軍.ANSYS在機(jī)械與化工裝備中的應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[3] 黃民鋒,江迎春.基于有限元法的汽車構(gòu)件疲勞壽命分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2008(2):57-60.

[4] 趙少汴.有限壽命疲勞設(shè)計(jì)法的基礎(chǔ)曲線[J].機(jī)械設(shè)計(jì),1999(11):5-7.

Fatigue Strength Analysis of Driving Medium of Electric Stacker by Workbench

ZHU Jun

(Wuxi Machinery and Electron Higher Professional and Technical School, Wuxi 214028, China)

Electric stacker is often used in handling operation, the design of its driving and connecting parts will directly affect the quality and service life of the whole product. Using FEA software to analyze the strength and durability of the product in the early stages of design can greatly cut down the cost of product development and shorten the design cycle. In the paper, the model of the connecting rod was set up and imported into ANSYS Workbench software, the static and fatigue analysis were carried out, and the maximum stress position and fatigue life were obtained, to provid the data support for subsequent optimization design.

driving medium; FEM; fatigue life; Workbench; electric stacker

1672- 6413(2015)06- 0062- 02

2015- 09- 14；

2015- 09- 24

朱軍(1978-)，男，江蘇無錫人，講師，工程碩士，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元研究。

TP391.7

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