EN | 中文 | RU

Анализ усталостной долговечности

Главная  Проекты  >  Пружинная стойка мульчировщика

Анализ усталостной долговечности пружинной стойки мульчировщика

Рис.1 Фото мульчировщика с пружинными стойками

Введение

Предметом исследования является пружинная стойка сельскохозяйственного мульчировщика (рис.1). Основные размеры пружинной стойки показаны на рис.2.

В соответствии с запросом Заказчика, был выполнен анализ усталостной долговечности двух пружинных стоек различных размеров. Цель анализа – усовершенствование существующей конструкции и определение ее ресурса.

Была подготовлена конечно-элементная модель (КЭМ) пружинной стойки – рис.3. При построении КЭМ были использованы трехмерные гекса элементы, одномерные абсолютно жесткие и пружинные элементы, элементы сосредоточенной массы.

Нагрузки и закрепления

В рабочих условиях на конструкцию действуют переменные нагрузки.

В расчете были приняты следующие максимальные значения нагрузок:

  • продольная нагрузка: Fy=200 кгс (приблиз. 2000 Н);
  • поперечная нагрузка: Fz=-50 кгс/+200 кгс (приблиз. 500 Н/2000 Н);
  • вертикальная нагрузка: Fx=300 кгс (приблиз. 3000 Н).

Схема закрепления пружинной стойки выглядит следующим образом: верхняя и нижняя поверхности модели были закреплены в вертикальном (DOF1=0) и горизонтальном (DOF3=0) направлениях. В горизонтальном направлении допускается небольшое перемещение конструкции. Это учитывается при помощи CELAS2 элемента. Такой метод закрепления используется для имитации монтажного зазора (0.1 мм). Схема закрепления показана на рис.4.

Рис.7 Упрощенное представление диаграммы нагрузки в цикле «растяжение-сжатие» во времени

Обзор результатов

  1. Были исследованы собственные частоты колебаний обеих конструкций на предмет попадания в резонанс. Для модели №1 (D=145 мм) две собственные частоты (10.7 Гц и 11.8 Гц) имеют запас по вынужденной вибрации около 40%. Для модели №2 (D=180 мм) две собственные частоты (9.5 Гц и 10.5 Гц) имеют запас по вынужденной вибрации около 47%. Основываясь на достаточной отстройке собственных частот колебаний от вынужденной вибрации динамическое воздействие не было принято во внимание.
  2. Наиболее критическое сечение в конструкции было проанализировано с использованием диапазона максимальных напряжений в зависимости от нагрузки. Диапазоны распределения уровней напряжений показаны на рис.8 и 9. Конкретные значения результатов показаны в Табл.1.

Рис.2 Общий вид пружинной стойки со схемой нагружения

Рис.3 КЭМ пружинной стойки с описанием типа элементов

Рис.4 Схема закрепления

Расчет усталостной долговечности

  • Определение кривой усталости

Исходными данными для определения количества циклов, которые способна выдержать пружинная стойка, является кривая усталости.

Информация о результатах тестирования на долговечность образцов изделий, выполненных из стали 50ХФА или ее аналогов в диапазоне 10Е+07 – 10Е+09 циклов, размещаемая в открытых источниках, ограничена. Поэтому за основу расчетов были взяты параметры образца, выполненного из стали 50CrV4, которая является аналогом стали 50ХФА. Данные об этом материале были взяты из источника [1]. Образец исследовался на растяжение-сжатие.

Кривая усталости для материала 50CrV4 представлена на рис.5.

  • Определение уровня напряжений в цикле

Для определения количества рабочих циклов использовалась кривая усталости, изображенная на рис.5. Для упрощения сравнительных расчетов количества циклов, вместо задания геометрии/коэффициентов подобия усталости (из-за разницы физических и геометрических параметров тестируемых образцов), необходимо построить геометрически подобные части кривой усталости в пределах, необходимых для расчетов (рис.6).

Распределение уровня нагрузок в зависимости от времени в исходном диапазоне имеет хаотический характер. Поэтому для сравнительного расчета было определено количество «худших» циклов. Т.е. такие циклы, в которых напряжения изменяются от максимально возможного показателя сопротивления сжатию до максимально возможного показателя прочности при растяжении, сумма значений напряжений по модулю будет определена как диапазон циклов напряжений.

На рис.7 изображена стандартная диаграмма цикла диапазона напряжений (σsr):

  • σmax - главное максимальное напряжение при растяжении;
  • σmin - главное минимальное напряжение при сжатии.

Рис.5 Кривая усталости для материала-аналога 50CrV4

Список использованной литературы:

[1] Международный журнал усталости. «Влияние размерных характеристик на усталостное поведение высокопрочных сталей в гигацикловом режиме усталости».

[2] «Гигацикловая усталость», Левин Д.М. и другие, Тула, 2006. *** http://physics.tsu.tula.ru/bib/izv/6/2006-fiz-20.pdf ***

Рис.6 Кривая усталости для используемого материала 50ХФА

Рис.8 Диапазон распределения уровней напряжений [МПа] в модели №1 (D=145 мм) в зависимости от нагрузки

Рис.9 Диапазон распределения уровней напряжений [МПа] в модели №2 (D=180 мм) в зависимости от нагрузки

Табл.1 Результаты максимальных уровней напряжений и срока службы

Выводы

  1. Был определен ресурс существующей конструкции пружинной стойки (модель №1, D=145 мм). Он составил приблизительно 10Е+07 циклов до вероятного усталостного разрушения.
  2. Опираясь на максимальную амплитуду напряжения в цикле, было определено 2 опасных сечения (рис.10).
  3. Согласно результатам расчета, уровень напряжения в модели №2 (D=180 мм) на 1% выше, чем в модели №1 (D=145 мм). Это может привести к значительному снижению количества рабочих циклов. Тем не менее, учитывая вероятностную природу феномена усталости и большое влияние эффекта поверхностных дефектов в материале для цикла в диапазоне от 10Е+07 до 10Е+09 [2], можно сказать, что обе пружинные стойки имеют приблизительно одинаковый ресурс по выносливости.

Рис.10 Максимальный диапазон напряжений [МПа] в районе опасного сечения: а) модель №1 (D=145 мм); б) модель №2 (D=180 мм)

а)

б)