撕碎机刀片的疲劳寿命分析_徐志鹏.pdf

科学技术创新 2023.04撕碎机刀片的疲劳寿命分析徐志鹏（江苏建筑职业技术学院智能制造学院，江苏 徐州）引言作为撕碎废弃材料的常用机械设备，撕碎机通常用于处理未经加工的边角余料或废弃的原材料，从而使得其体积更加微小1。国内学者对于机械设备疲劳寿命分析进行了大量的研究工作。胡海明2利用 CAE及疲劳分析软件对弓型座进行了应力、位移与疲劳寿命分析，确定了最大等效应力的位置与方向，计算出了最低疲劳寿命点，并对延长疲劳寿命提出了建议。樊俊玲3基于传统的疲劳实验数据，利用概率统计分析的方法，预测了不同存活率下的疲劳应力-寿命曲线，结果表明其预测的结果与传统实验分析的结果具有良好的相关性。然而，对于撕碎机刀片的疲劳寿命分析却鲜有报道。因此，基于以上学者的研究基础，本研究建立撕碎机刀片的有限元模型，仿真得到应力应变云图以及疲劳敏感性图，利用常用材料的参数值拟合得到撕碎机刀片的 P-S-N 曲线，分析不同存活率下的疲劳-应力曲线，并结合 Miner 理论计算出撕碎机刀片的最大使用寿命。1撕碎机刀片疲劳寿命有限元分析1.1问题分析如图 1 所示为一种双轴撕碎机，本研究主要对其刀片的疲劳寿命进行分析。本研究所研究刀片的主要结构参数为：刀片外径 100 mm，刀片厚度 18 mm；材料为 Q235 普通碳素结构钢。根据撕碎机刀片在实际工作过程中的受力情况，在不影响计算结果情况下，本研究对撕碎机刀片的受力模型进行了简化。施加在刀面上的应力为 20 MPa，疲劳强度因子为 0.8。由于基金项目：江苏省“333 高层次人才培养工程”；江苏省高校自然科学研究面上项目（16KJB460027）。作者简介：徐志鹏（1984-），男，博士研究生，副教授，主要研究方向：机械制造及自动化。摘要：针对撕碎机刀片工作过程中疲劳寿命计算问题，利用 Workbench 建立撕碎机刀片物理模型，通过仿真得出的撕碎机刀片应力应变云图，发现了撕碎机刀刃处的应力集中区域。而后，采用 Goodman 理论修正平均应力，并对撕碎机刀片施加随机载荷，得到撕碎机刀片的疲劳敏感性图。依据高周疲劳的寿命分析方法，建立三参数 P-S-N 模型，通过查表确定该曲线的参数，得到不同存活率 P 下的 S-N 曲线。并利用得到的 P-S-N 曲线，建立基于 Miner 理论的疲劳累积损伤模型，根据有限元仿真得到的安全应力变化幅度，设计满足寿命要求的载荷谱模拟撕碎机刀片在实际工况下的疲劳损伤。通过数值求解，得出撕碎机刀片最大使用寿命为 2.4618年，从而验证了所述研究方法在撕碎机刀片疲劳寿命分析上的有效性。关键词：撕碎机刀片；疲劳寿命；Miner 理论；疲劳累积损伤中图分类号：TH17文献标识码：A文章编号：2096-4390（2023）04-0010-04图 1双轴撕碎机三维模型10-2023.04 科学技术创新刀片在工作过程中受非恒定载荷影响，刀片材料结构钢为韧性材料，因此本研究采用 Goodman 理论修正平均应力4。1.2参数设定本研究利用 SolidWorks 软件建立撕碎机刀片的物理模型，并将其导入到 ANSYS Workbench 软件中进行疲劳寿命分析。如图 2 所示，设置有限元网格质量为最好，网格形式为四面体网格，得到网格节点总数为 180 280 个，单元数为 43 826，单元大小为 2 mm。其弹性模量为 21011Pa，密度为 7 850 kg/m3，泊松比为 0.3。图 2撕碎机刀片有限元网格模型1.3撕碎机刀片应力和应变分析为了更好地观察撕碎机刀片在随机载荷工况下的疲劳敏感曲线变化情况，加载了如图 3 所示的随机载荷并进行求解。图 3随机载荷求解得到的撕碎机刀片等效应力分布情况。其中，可以明显地看出最大等效应力位于刀刃处，其值为 241.34 MPa；同时最大应变也位于刀刃处，其值为0.0081572。1.4撕碎机刀片疲劳寿命敏感性分析刀具的安全载荷幅度范围是 0%90%，寿命次数保持 1107次；当载荷变化幅度大于 90%时，撕碎机刀片疲劳寿命急剧下降，尤其当载荷变化幅度为150%时，其寿命次数接近于零。2撕碎机刀片的疲劳寿命P-S-N曲线2.1模型建立由上述的有限元模型分析结果可知，撕碎机刀片最大疲劳寿命为 1107次，远大于 104，属于高周疲劳。对于此种应力循环水平较低且应力变化相对较大的高周疲劳，以往研究中大多使用 S-N 曲线来定量分析疲劳寿命。然而，S-N 曲线一般都是取疲劳试验的平均值绘制出来的，而实际的疲劳样件往往受不稳定的载荷、被试件的表面粗糙度、加工误差等因素的影响，从而导致测出的试验数据具有分散性5，并且这种分散特点通常与存活率有关。因此，本研究利用P-S-N 曲线分析撕碎机刀片的疲劳寿命。当用双对数坐标来表示应力与寿命的关系，则其方程可表示为：(1)式中：m、c 为材料常数。此处写成 P-S-N 曲线的一般表达形式：(2)式（2）变形后可得：(3)式中：为应力均值；Np为存活率为 p 时的寿命；ap和bp为材料常数值。2.2参数设定依据文献6中通过实验测得的材料常数，查得Q235 普通碳素结构钢在旋转弯曲载荷下的材料常数，其数值见表 1。lglglgiiNcm=-lglgpppNab=-?10()?apN=11-科学技术创新 2023.04表 1P-S-N曲线的参数值2.3结果分析存活率 P 为 99.9%时，疲劳应力最低，P 为 50%时，疲劳应力水平最高。值得注意的是各个存活率下的疲劳应力达到 400 MPa 时，疲劳寿命均趋近于零，这是由于此时所施加的应力接近材料的抗拉强度 460MPa,撕碎机刀片不满足静强度，发生了瞬时断裂。3基于 Miner 理论的撕碎机刀片疲劳寿命预测零件受到各种扰动载荷的作用，会产生一定程度的损伤，并且随着损伤不断地叠加，当零件损伤达到所能承受的最大值时就会发生疲劳断裂，这种现象被称为疲劳累积损伤理论7。工程实践中通常使用 Miner理论对线性累积损伤进行分析8，它的一般分析计算步骤见图 4。结合上述的 P-S-N 曲线，取存活率 P 为 99.9%时的参数值，带入式（3）可得：(4)图 4Miner 理论分析步骤根据 Q235 最大的抗拉强度 460 MPa，以及有限元仿真得到的安全载荷疲劳变化幅度范围，取载荷 P为 300 MPa，依次将 0.8 P,0.7 P,0.6 P 带入式（4）中，即可得到表 2 所示的不同载荷水平下的疲劳损伤值，其中的总损伤 D 由公式（5）计算。依据图 4 的分析步骤可知当 D1 则要重设载荷谱，直至达到使用要求。(5)如将刀片的总损伤看作为一个循环体，那么整个寿命由 个循环体组成，即：(6)根据 Miner 理论，发生疲劳断裂的临界条件应为D=1，故由式（6）可得：=1/0.4062=2.4618 年4结论（1）建立了撕碎机刀片的 SolidWorks 三维模型和基于 Workbench 的有限元模型。结果表明，撕碎机刀片刀刃位置存在应力集中，当施加的载荷变化幅度范围大约为 0%90%时，寿命次数达到 1107次。（2）建立了撕碎机刀片疲劳寿命的 P-S-N 曲线模型，仿真得出不同存活率下的疲劳寿命-应力曲线。结果表明，随着存活率的不断增加，同一寿命下的应力水平将会随之降低。（3）结合 Miner 理论，利用所得到的 P-S-N 曲线，根据有限元仿真得到的最大应力，设定寿命期内的载荷谱。并在此工况下，计算得出该撕碎机刀片使用寿命最大可达 2.4618 年。参考文献1陈文滕,仲梁维.基于 NLPQL 算法撕碎机动刀尺寸优化分析研究 J.农业装备与车辆工程,2020,58(11):93-96.2胡海明,李新荣.半钢轮胎活络模具弓型座疲劳寿命?36.371310()pN=表 2损伤计算载荷值 循环数/10?应力 值/MPa N?/10?D?p 0.003 300 0.045 0.0667 0.8 p 0.1 240 0.78279 0.1277 0.7 p 0.5 210 4.3272 0.1155 0.6 p 3.0 180 31.149 0.0963 总损伤=0.4062?/?D=nN?参数 P=50%P=90%P=95%P=99%P=99.9%a?41.1782 39.1860 38.6199 37.5595 36.3713 b?14.6745 13.8996 13.6793 13.2668 12.8046?/?D=DnN?=12-2023.04 科学技术创新分析J.制造技术与机床,2019(8):154-156.3樊俊铃.基于能量耗散的 Q235 钢高周疲劳性能评估J.机械工程学报,2018,54(6):1-9.4吴才香,刘余龙,陈姝枚,等.轨道车辆钢构件疲劳强度评估方法研究J.装备制造技术,2021(3):98-100.5陈传尧.疲劳与断裂M.武汉:华中科技大学出版社,2001.6尚德广.疲劳强度理论M.北京:科学出版社,2017.7杨新华,陈传尧.疲劳与断裂M.武汉:华中科技大学出版社，2018.8段小成,上官文斌,王小莉,等.变幅载荷下填充型天然橡胶疲劳试验与预测方法研究 J.机械工程学报,2016,52(14):58-66.Fatigue Life Analysis of Shredder BladeXu Zhipeng(School of Intelligent Manufacturing,Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology,Xuzhou,China)Abstract:Aiming at the problems of the fatigue life calculation of the shredder blade during the workingprocess,the physical model of the blade was established by Workbench,in addition,the stress,strain and fa-tigue life were studied and analyzed.The stress and strain cloud diagram of the shredder blade was obtained.The Goodman theory is used to correct the average stress and apply the variable amplitude load to the shred-der blade.A fatigue sensitivity map of the shredder blade is obtained.According to the life analysis method ofhigh cycle fatigue,a three-parameter P-S-N model was established.The parameters of the curve were deter-mined by looking up the table,and the S-N curves with different survival rates P were obtained.Based onthe obtained P-S-N curve,the fatigue cumulative damage model based upon Miner theory is established.Inaccordance with the maximum stress obtained by finite element simulation,the load spectrum satisfying the liferequirement is designed to simulate the fatigue damage of the shredder blade under actual working conditions.The maximum service life of the machine blade is 2.4618 years.The results show that the fatigue life analysismethod used can predict the fatigue life of the shredder blade.Key words:shredder blade;fatigue life;Miner theory;fatigue cumulative damage13-