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摘要:本文研究断裂或带裂纹的某结构件的断裂原因分析,通过对材料和结构件中的裂纹开始扩展的条件和扩展规律的力学分析方法,可以确定裂纹的产生原因、裂纹容许尺寸、评定零件和结构件的损伤容限设计方法、通过零件的裂纹裂口、载荷与材料力学性能的关系,可以推测机械零部件的产生原因和抗裂能力。
主题词:叉形件 断裂 仿真
1 引言
断裂事故在重型机械中是非常常见的现象,每年因为机械结构断裂造成的人员伤亡、经济损失数目巨大,一方面由于传统的设计是以完整的静力强度和疲劳强度为依据开展的,并且一般预留较大的安全系数,但是还是会有断裂事故不断发生;另一方面,关键设备缺乏对不完整剩余强度的估算,使其提前退役,又造成大量的浪费。因此对机械结构件的断裂分析,明晰零部件断裂原因,优化设计方法,正确操作使用及合理维修防护更换,对机械产品的全生命周期的安全使用意义重大。
2 背景
在某试验中,某设备运转过程中发现其连接叉形件断裂,仔细观察发现其他部位还存在细小裂纹,裂纹一般在2-6mm之间,断口比较整齐,如图1所示。
图1 叉形件断裂情况图
1
2
2.1
2.2
2.3
3 强度分析
1
2
2.1
2.2
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
旋转机构的转动惯量为5.02kg·mm2,质量为m=2.5kg,叉形件最大受力为727.72N。
叉形件强度分析主要考虑三种情况,第一叉形件静载正常工况分析;第二在叉形件下面圆弧处添加裂纹进行强度分析;第三在叉形件上面圆弧处添加裂纹进行强度分析;
(1) 静载正常工况:
X方向最大主应力 Y方向最大主应力
图2 X/Y方向主应力
通过分析,X方向的最大应力为108MPa,Y方向的最大应力为78.2MPa,45钢的最小屈服应力为310MPa。因此叉形件正常受力作用下是完全满足要求,不会发生断裂。但是目前确实发生了断裂情况,且在发生断裂的叉形件上其他圆弧处也观察到有细小裂纹,因此分别对该部件的两个圆弧过渡处添加裂纹进行强度仿真分析。
(2)裂纹在下面圆弧位置时
叉形件短叉方面与Y轴方向一致,叉形件短叉部位在Y方向是受的拉力,裂纹设置为椭圆形裂纹,椭圆长边的半径为1mm,即裂纹长度为2mm时,裂纹宽度设置为0.2mm,裂纹位置设置在下面圆弧位置的中心处。
图3 X/Y方向主应力
根据分析结果,X方向主应力为249MPa,Y方向的最大应力为512MPa,远远大于45铸钢允许的屈服应力或剪切应力310MPa,同时最大抗拉应力为570MPa,由于Y方向受到的拉力,主应力为512MPa,小于570 MPa,此时应该还不会发生断裂。由于叉形件处在一个反复循环工作的环境,因此其裂纹在不断工作和循环受力时发生裂纹拓展。
下面进行裂纹扩展模拟分析,设置裂纹半径为2mm,裂纹宽度为0.4mm,裂纹位置设置为圆弧中心处再次进行强度分析。
图4 X/Y方向主应力
根据结果可知,当有4mm裂纹时,X方向主应力为735MPa,Y方向的最大应力为504MPa,X方向受力为叉形件的剪力,远远大于45铸钢允许的屈服应力或剪切应力310MPa,同时最大抗拉应力为570MPa,由由于Y方向受到的拉力,主应力为504MPa,小于570 MPa,但是X方向受应力远远大于允许应力,因此叉形件会发生断裂。
(3)裂纹在上面圆弧位置时
裂纹设置为椭圆形,椭圆长边的半径为1mm,即裂纹长度为2mm,裂纹宽度同样设置为0.2mm时,设置为下圆弧位置。
图5 X/Y方向主应力
根据结果可知,当上圆弧有2mm裂纹时,Y方向最大应力为734MPa,远远大于45铸钢允许的屈服应力310MPa和最大抗拉应力570MPa,因此上面圆弧处有2mm裂纹时可能会出现叉形件断裂的情况。
4 结论
在以上分析排查叉形件设计参数与结构合理,通过强度分析证明强度也符合要求,但当零件产生细小裂纹,裂纹在下圆弧处或上圆弧位置时,叉形件可能会发生断裂。因此必须控制铸钢铸造的工艺条件,并避免零部件产生裂纹,从而避免叉形件发生断裂。
参考文献:
[1]成大先.机械设计手册.化学工业出版社,2004
[2]濮良贵.机械设计高等教育出版社,2013.5
[3]夏恭忱.中国航空材料手册.中国标准出版社,1989