少片变截面钢板弹簧的疲劳寿命计算分析

工业技术
科技资讯 2008 NO. 21
S CI ENCE & TECHNOLOGY I NFORMATI ON
少片变截面钢板弹簧的疲劳寿命计算分析
张劲 松 ( 贵 州省遵 义市遵义 钛厂机 械设备 公司 贵州 遵义 5 6 3 0 0 4 )
摘 要: 根据少片 变截面钢板 弹簧每一 片在自由状 态下的几 何尺寸, 利用 UG软件建 立各片的三 维模型并 进行装配。 在 Hy p e r Me s h 中采
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层及开门由系 统自动控制。 ③无 司机工作方式是系统的自动工作
方式, 考 虑到实际 客梯中乘客 上、下呼梯 的随机性 , 该系统的 选层控制满 足以下要 求: 上 升过程响应 大于等于当 前楼层的 内 呼 和 上 升 外 呼 信号 , 记 忆 其 他 信 号 ; 下 降 过 程 响 应 小 于 等 于 当 前 楼 层 的内 呼 和 下 降 外 呼信 号, 记忆 其他信 号; 在当 前的 行进方 向, 内呼信号 优先响应; 若 无呼梯信号, 轿 厢停在当前楼层; 电梯不用时, 回到一楼。
利 用 三 维 建 模 软 件 UG 建 立 少 片 变 截 面钢板弹 簧各片的几 何模型并 进行装配, 装 配 完 成 后 的 少 片变 截 面 钢 板 弹 簧 总 成 如 图 1 所示。
对包含一个 目标面和一个 接触面, 定义凹 面为目标面, 凸面为接触面。 2 . 3 定 义边 界条件
钢板弹簧的边界条件 主要有位移约束 和自 由 度 耦 合 两 种 方 式 。 板 簧 第 一 片 的 左 端采用固定卷 耳连接, 另 一端采用活 动吊 耳连接, 在卷 耳或吊耳 与转动轴之 间装有 橡胶制成的减 摩衬套, 所 以这两处的 约束 可以 看 成 铰 链 。 应 用 如 下 方 法 对 它 们 进 行 模拟 , 将 卷 耳 内 加 入 一 个 圆 柱 体, 把 它 与 卷 耳相互 粘接 起来 ; 在 固定卷 耳的 一端 ( 左 端) , 把圆 柱体 中轴 线上 的节 点在 x 、y、 z 方 向的自由度都 加以约束; 在浮动卷耳 的一 端( 右端) , 只约束圆柱 体中轴线上节 点在 y、z 方向 的自 由度 。 另外 , 本 文对 中 心螺 栓 的约 束 是 通 过 耦 合 中 心 螺 栓 孔 面 上 节 点 的 所有自由度来实现的 。
为了使得少 片变截面钢板弹簧的簧片 之间产生 接触, 还需 要在接触面 上添加接 触单元, 使接触面间 产生接触力 。整个钢 板弹簧 总成一共 定义了 3 个接触 对, 每一
3 疲劳寿命计算结果与试验结果对比
3. 1 S- N 曲线的 获得
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为了提高钢板弹簧所 用弹簧钢的强度
极限 和 疲 劳 极 限 , 加 入 不 同 的 金 属元 素 , 主
(1)
其 中 , σ — 循 环 中 的 最 大 应力 ; σ
ma x
mi n
—循环中的最小应力;
应 力 幅 σ 是 应 力 循 环 中 变 化 的分 量 , a
(2) 此 外, 还 可以用 其他办 法来描 述应力 循环的循 环特征,
(3)
若 R=1 , 就 叫 做 对 称 循 环 ; R=0, 叫 做 脉 动 循 环; 若 R<0, 就 是 波 动拉 压 循 环 ; 若 R∈ ( 0 , 1 ) , 是 波动 拉 伸循 环。 这 么说 来 , 静 载其 实 就 是 R= 1 的 应 力 循 环 。
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的工程 应用中, 常 用规定的有 限循环次数 来表达 无限次循环 的意义, 如 工程应用中 的 零部 件 通常 2 × 10 6 取 次 为理 论上 的 无限 次循环。 1 . 2 S- N曲 线
表示 外加应力水平和标准试样疲劳寿 命之间关系的 曲线称为 S- N曲线。S- N曲 线反应 了材料的基 本疲劳强度 特性, 是用 于 估 算 疲 劳 寿 命 和 进 行 疲 劳 设 计 。它 通 过 在 某 一 循 环 特 征 下 对 标 准 试件 进 行 疲 劳 试
要 有 以 下 几 种 : Mn , 提 高 抗 拉 强 度 和 屈 服
点 ; Cr , 增 加 钢 材 的 强 度 、 提 高 淬 透 性 , 降
低脱 碳 敏 感 性 ; 细 化 晶 粒, 提 高 冲 击 值 、 耐
热性, 降低脱 碳敏感性 。本文的少片 变截
面钢 板弹 簧 的材 料为 6 0Si Mn , 查 得 60 Si Mn
图 1 少 片 变 截面 钢 板 弹 簧 三维 几 何 模 型
图 2 少片 变截 面钢 板弹 簧单 元划 分
2 . 2 网格 划分 本 次有限 元分析 采用映 射法, 利用采
用 8 节点的六面体单元对自由状态几何模 型 进 行 单 元 划 分 。六 面 体 单 元 每 个 节 点 具 有 X、 Y、 Z 三 个 方 向 的 平 动 自 由 度 , 可 以 进 行 塑 性 分 析 、蠕 变 分 析 、 膨 胀 分 析 、 应 力硬化分 析、大变形 分析和大应 变分析。 采用 这种 单元 有 利于 考虑 板簧 的设 计细 节 , 比 较准 确 地 反 映 应 力 集 中 情 况。 同 时 , 在三维接 触问题的有 限元解法中 , 这种单 元比带有中间节 点的单元的收敛性更好 。
在 一定的 循环特 征下, 材料可 以承受 无限 次 的应 力循 环而 不被 破坏 的最 大 应 力, 称 为在这一循 环特征下的 疲劳极限 或 持 久 极 限 , 通 常 , R=- 1 时 , 即 在 对 称 循 环 下 的疲劳 极限数值最小 , 习惯上材 料的疲劳 极 限 都 是 指 R=- 1 时 的 最 大 应 力 , 也 就 是 该 状况 下 的 应力 幅 值, 常 用 σ 表 示 。实 际
内 外呼梯 信号处 理包括 信号的 登记、 显 示 及 本 层 消 号 。信 号 的 登 记 采 用 自 锁 原 理, 软件 上采用逻辑 或运算实 现。内呼信 号不论电 梯上行还是 下行, 当轿 厅运行至 该楼 层时, 均要 换速 停车 , 并消 除登 记信 号 。 外 呼信 号 有 反 向 运 行 保 号 和 直 驶 保 号 功 能 。 每 一个 PLC输 出 点 直 接 驱 动 一 个 呼 梯信号的指 示灯。 5 . 2 定向 控制
为 了使单 元网格 划分规 律, 先 对簧片 进行分块, 然后把已经 分割好的几 何模型 导 入 到 Hy pe r Me s h 中 。 对 模 型 进 行单 元 划 分, 划分 单元时在实 体与实体 的断开接触 面上采用 完全一致的 网格密度, 划分成功 的有限元 模型是分很 多份, 本文 采用合并 的办法, 把这些分块 重新连接在一 起。这 样 就 可 以 把 各 分 块 合 并为 一 整 体 。 合 并 以 后, 少片 变截面钢板 弹簧的有 限元模型的 节 点 数为 9 40 3 , 六面 体 单 元 数 为 6 1 0 6。 单 元划分情况如图 2 所示。
以 及 计算 过 程的 正 确性 。
关 键词: 少片变截面钢 板弹簧 接触 单元 有 限元 疲劳 寿命
中 图分类号: U46 3. 21 8
文献标识 码: A
文 章编号: 1 67 2- 37 91 ( 2 00 8) 07 ( c ) - 0 06 9- 02
1 少片变截面钢板弹簧的疲劳寿命分析 1 . 1 疲 劳寿 命分 析理 论基 础
疲劳 破坏是材料在低于拉伸强度极限 的 交 变 应 力( 或 应 变 ) 的 反 复 作 用 下 而发 生 失效的 方式。对于钢 板弹簧, 疲劳 寿命是 指 任 何 一 片 钢 板 首 先 出 现 宏观 裂 纹 时 的 循 环次数, 所谓宏观 裂纹是指簧 片同一部位 两个侧面沿厚 度方向裂通。
承受 交变载荷的零部件其内部的应力 也是变化 的, 称为疲 劳应力。针 对某种材 料的标 准试件而言 , 疲劳性能 主要取决于 在 外 部 交 变 载 荷 作 用 下 其 内部 的 疲 劳 应 力 循 环 特 征 。 应 力 循 环 的 性 质 是由 循 环 应 力 的 平 均 应 力 和 交 变 的 应 力 幅 所 决 定 的 。平 均 应力 是 应 力循 环 中 的不 变 的 静态 分 量[ 4],
验, 并以试件的交变应力幅为纵坐标, 以到 达破坏的 循环次数为 横坐标, 绘 制出的曲 线 , 表 达出 材 料 的 疲 劳 强 度 与 寿 命 的 关 系。 多数 S- N曲线是画在 对数坐标 上的, 此时 的疲劳曲 线是一条折 线, 不过在 转折点处 出 现很 小 的 圆弧 线 [ 5] 。
2 少片变截面钢板弹簧有限元模型的建立 2 . 1 三维 模型 的建 立
根据电梯 的运行方式、各层内选外呼 信 号 的 先 后 以 及 停车 时 轿 厅 所 在 楼 层 位 置 决 定 电 梯的 运 行 方 向 , 在 电 梯 运 行 过 程中 , 方 向 保 持 。有 司 机 操 作 时 , 内 指 令定 向 ; 无 司机自动 运行时, 内 指令和外召 唤均可定 向 。 程 序采 用 数 据 比 较 指 令 对 选 层 信 号 通 道 的 内 容 与 轿 厅 位置 通 道 内 容 进 行 数 据 比 较。当前者 大于后者 时, 上行方向 继电器 为 ON, 反 之 下 行 方 向 继 电 器 为 ON。 由 于 轿 厅 所 处 层 站呼 梯 信 号 不 登 记 , 所 以 , 两 通 道内容不会有相等 的情况。 5 . 3 开 、关 门安 全保 护
内外 呼梯、关门、开门、平层、运行 加 减 速 、 运 行 方 式 控 制 等 信 号 接 到 PLC的 输 入, 共 3 0 点 , 电 梯 上 、下 行 继电 器 、开 门 及 关 门 继 电 器 、 各 种 信 号 显 示 接 PLC的 输 出 , 共 24 点。 系 统控 制 程序 约 九 百多 条 , 可
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见 , 该 系 统 的 P LC软 硬 件 资 源 得 到 了 相 当 充分的 利用。
5 控制软件设计 控 制程序 采用模 块化、结 构化设 计,
层 次分 明 , 结 构 清楚 。 程 序流 程 图 如图 4 所 示 。 现 就几 个 典 型 模 块 的 程 序 设 计 分 述 如 下。 5 . 1 内外 呼 梯信 号 的登 记 、消 号 及显 示
2
2
的 S- N曲 线 如 图 6 . 4 所 示 [ 7]。
图 3 6 0 Si Mn 的 材料 S- N曲 线 2
3 . 2 疲 劳危 险 区域 的确 定 疲劳破坏总是先从材 料表层某个点或
某区 域 开始 , 所 以疲 劳 寿命 计 算 的前 提 条 件是 危 险 区 域 的 合 理 确 定 。 从 弹 性 特 性 试 验仿 真 得 知 , 最 大 应 力 处 主 要出 现 在 第 一 、 四片 簧 片 与 平 直 夹 板 的 接 触 处 附 近 。 所 以 先选 定 这 两 个 地 方 作 为 钢 板 弹 簧 有 限 元 模 型的疲劳危险区 域。
④系统具 有慢速启动, 快速运行, 平层 之前减 速的运行特性 , 以增加乘 客的舒适 感 。 并 具 有 上、 下 限 保 护 , 关 门 夹人 保 护 、 紧急停车等多种安 全保护措施。
4 PLC的选型及输入、输出点分配 选 用 日 本 OMRONC2 8 P 作 为 控 制 主 机 ,
其 主 要 技 术 参 数 和 性 能 为 : 存 储 容 量 1 1 94 地 址 , 内 部 辅助 继 电 器 1 36 点 , 保 持 继电 器 1 60 点, 定 时 器 / 计 数 器 4 8 个, 输 入 光 电 隔 离 , 输 出 继电 器 隔 离 , 主 机 I / 0 点 数可 扩 展 为 80/ 60 点, 具 有基本逻辑 指令和功能 较 全 的 专 用 指令 , 具 有 较 强 的 数 据 处 理 能 力, 可 以 满 足 控 制 系 统 的 要 求 。本 系 统 选 用 一 个 C2 8 P 输 入 、 输 出 扩 展 单 元 , 输 入点 扩 展 为 32 个 , 输 出 2 4 个 。
用 映射法进 行单元划 分, 同时 考虑片间 的非线性 接触, 建立 钢板弹簧 总成的有 限元模型 。根据钢 板弹簧试 验工况, 计 算得到该 工况下的
应 力循环, 利用其 S- N曲线, 基于 Mi ne r 线性累计损 伤准则计算 其疲劳寿命 。疲劳寿命 的计算值 与试验值相 当接近, 验证了模 型的建立