張智太 崔俊峰 朱萬(wàn)軍 何振光

摘要：某型低速柴油機(jī)的分配塊蓄壓?jiǎn)卧ㄌm泵壓工裝在設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)螺栓進(jìn)行疲勞分析。本文結(jié)合工程實(shí)例，利用ANSA/BAQUS/FEMFAT等有限元計(jì)算軟件，對(duì)該設(shè)計(jì)工裝的螺栓進(jìn)行計(jì)算和分析，確定其應(yīng)力狀態(tài)及安全性。并根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果推導(dǎo)出螺栓的高周疲勞和低周疲勞結(jié)果。最終選用合適的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)得出了不同螺栓的最小疲勞壽命。

Abstract： When designing a low-speed diesel engine distribution block pressure-storing unit flange pumping fixture， a fatigue analysis of the implementation is required. In this paper， the stress state and safety of the bolts are calculated and analyzed by Ansys/baquus/femfat and other finite element software. The results of high-cycle fatigue and low-cycle fatigue are deduced from the results of stress calculation. Finally， the minimum fatigue life of different bolts is obtained by choosing appropriate evaluation criteria.

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);螺栓;蓄壓?jiǎn)卧?疲勞

Key words： diesel engine;bolt;accumulator unit;fatigue

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.121.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）16-0075-04

1? 緒論

船用柴油機(jī)液壓動(dòng)力單元零件泵壓工裝螺栓在正常工作載荷下受到交變應(yīng)力的作用。其疲勞極限的確定直接關(guān)系到工裝使用的安全性。

某型低速柴油機(jī)的分配塊蓄壓?jiǎn)卧ㄌm泵壓工裝在設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)落實(shí)進(jìn)行疲勞分析。本文結(jié)合工程實(shí)例，利用ANSA/BAQUS/FEMFAT等有限元計(jì)算軟件，對(duì)該設(shè)計(jì)工裝的螺栓進(jìn)行計(jì)算和分析，確定其應(yīng)力狀態(tài)及安全性。并根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果推導(dǎo)出螺栓的高周疲勞和低周疲勞結(jié)果。最終選用合適的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)得出了不同螺栓的最小疲勞壽命。

2? 基本假設(shè)

本分析采取的計(jì)算模型及方法基于以下假設(shè)：

①螺栓擰緊系數(shù)K取0.15。

②螺栓與被聯(lián)接件的相對(duì)剛度取=0.9，螺栓總拉力，F(xiàn)為泵壓試驗(yàn)時(shí)泵壓壓力作用在每個(gè)螺栓上的拉力，計(jì)算時(shí)按照螺栓的總拉力作為螺栓的最大作用載荷。

③螺栓的擰緊扭矩為T(mén)，螺栓的預(yù)緊力按照F0=計(jì)算，實(shí)際分析時(shí)考慮到螺栓的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力，把螺栓的總拉力F2提高到1.3倍。

3? 計(jì)算輸入

3.1 模型描述

計(jì)算要求所述50accumulator、60accumulator、50mid block、60flange、50hydraulic test fixture整體模型分別如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示。這些零件裝機(jī)前需要對(duì)其進(jìn)行壓力試驗(yàn)。壓力試驗(yàn)時(shí)，需要對(duì)其開(kāi)口處采用法蘭封堵，法蘭用與實(shí)際安裝零件相同螺紋規(guī)格的螺栓擰緊，擰緊扭矩分別按照?qǐng)D紙要求。所有的螺栓都按照螺栓的小徑尺寸進(jìn)行了重新繪制，內(nèi)六角頭按照內(nèi)六角e尺寸切成圓柱形，外六角按照六角s尺寸切成圓柱形便于劃分網(wǎng)格。

各模型中相應(yīng)的螺栓編號(hào)如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示，螺栓規(guī)格見(jiàn)表1。

3.2 材料特性

各零件材料參數(shù)用列表說(shuō)明，見(jiàn)表2。

4? 計(jì)算過(guò)程及結(jié)果

4.1 有限元模型

經(jīng)過(guò)分析，螺栓采用整體模型分析計(jì)算的應(yīng)力應(yīng)變與僅對(duì)螺栓進(jìn)行分析的應(yīng)力應(yīng)變基本一致，為此，本計(jì)算全部對(duì)螺栓進(jìn)行有限元分析，正在分析中考慮螺栓的預(yù)緊力及工作拉力（壓力試驗(yàn)對(duì)螺栓的拉力），并考慮螺栓的扭轉(zhuǎn)剪切作用，對(duì)螺栓的總拉力乘以1.3倍。螺栓本身有限元模型如圖6。

4.2 邊界條件

4.2.1 位移邊界條件，如圖7

螺栓頭下平面與被聯(lián)接件接觸處即螺栓頭部尺寸大于被聯(lián)接件螺栓孔直徑的區(qū)域，約束該區(qū)域的X、Y、Z方向自由度。

4.2.2 載荷

施加螺栓預(yù)緊力，各螺栓預(yù)緊力施加見(jiàn)表3。

4.3 計(jì)算結(jié)果

4.3.1 螺栓應(yīng)力應(yīng)變

以螺栓1為例進(jìn)行分析，其他螺栓與螺栓1分析方法一致。

螺栓1應(yīng)力應(yīng)力分析結(jié)果如圖8，螺栓1的最大主應(yīng)力為624.604MPa，螺栓1的最大應(yīng)變?yōu)?.00261mm，最大主應(yīng)力和最大應(yīng)變位于螺栓頭與桿身過(guò)渡連接處，6228節(jié)點(diǎn)上。

4.3.2 高周疲勞分析結(jié)果

把螺栓1的有限元模型分析結(jié)果導(dǎo)入到FEMFAT軟件中，按照螺栓總拉力和螺栓總拉力為0兩個(gè)工況計(jì)算螺栓的疲勞壽命，其他設(shè)置按照FEMFAT軟件中的默認(rèn)設(shè)置，經(jīng)過(guò)分析得出螺栓1的疲勞循環(huán)次數(shù)為：100000/0.05209=1919754次，如圖9。

根據(jù)疲勞理論（見(jiàn)參考文獻(xiàn)2），一般將失效循環(huán)次數(shù)小于104～105次循環(huán)的疲勞稱(chēng)為低周疲勞，而將失效次數(shù)大于此數(shù)的疲勞稱(chēng)為高周疲勞，同時(shí)根據(jù)疲勞曲線，低周疲勞區(qū)域的曲線更加平穩(wěn)，故綜合判斷該分配塊零件的泵壓試驗(yàn)的疲勞強(qiáng)度應(yīng)該按照低周疲勞分析方法進(jìn)行。

4.3.3 低周疲勞分析結(jié)果

局部應(yīng)力應(yīng)變疲勞分析方法主要用于解決高應(yīng)變的低周疲勞和帶缺口結(jié)構(gòu)的疲勞壽命問(wèn)題。根據(jù)參考文獻(xiàn)（見(jiàn)參考文獻(xiàn)2），低周疲勞分析過(guò)程如表4（FEMFAT軟件暫不能進(jìn)行低周疲勞強(qiáng)度分析）。

根據(jù)參考文獻(xiàn)中（見(jiàn)參考文獻(xiàn)2），英國(guó)軍用規(guī)范AP-970和英國(guó)民航適航性要求BCAR的規(guī)定，疲勞安全使用壽命分散系數(shù)SF取5，故該螺栓1的疲勞壽命此數(shù)為1.6×106次，即允許泵壓試驗(yàn)1.6×106次。由此可見(jiàn)，螺栓1的高低周疲勞壽命基本一致。

4.3.4 螺栓1～17

螺栓1～17：對(duì)于螺栓1～17僅分別進(jìn)行有限元分析，計(jì)算出危險(xiǎn)截面處（桿身與螺栓頭連接部位）的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變，然后根據(jù)FEMFAT軟件和上述計(jì)算步驟以及實(shí)際螺栓危險(xiǎn)截面處最大應(yīng)力、最大應(yīng)變數(shù)值，即可以算出各螺栓的疲勞壽命。各螺栓的疲勞壽命分別見(jiàn)表5。

5? 結(jié)論

基于前述假設(shè)的仿真分析結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

①在螺栓預(yù)緊力及泵壓壓力作用下，部分螺栓的局部區(qū)域應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)屈服強(qiáng)度，在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生微小的塑性變形。局部塑性變形越大，疲勞壽命越低。

②按照壓力試驗(yàn)的加載特性，螺栓疲勞壽命采用低周疲勞壽命計(jì)算方法比較合適。

③在安全系數(shù)取5的情況下，最小疲勞壽命的螺栓為螺栓11其規(guī)格為M6*35，循環(huán)次數(shù)僅為5.4次。

參考文獻(xiàn)：

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