拉板类结构的静强度评估及疲劳寿命评估
在工程机械类产品中常会用到类似拉板的结构,例如泵车臂架铰点中的连杆、挖掘机斗杆与挖斗铰点处的连杆、全地面起重机或履带式起重机的拉板结构等等,这些都是非常典型的拉板结构。
图0.1、泵车臂架铰点直连杆
图0.2、挖机直连杆
在评估泵车臂架铰点机构的连杆应力时出现最大等效应力远大于许用应力,有的还大于BS900D的屈服强度900MPa,甚至某些点达到1100~1200MPa。很显然,按照许用应力设计法评估,这些连杆结构不满足结构强度要求,需重新设计。但公司内部有不成文的规定,对于受挤压等部位(如销轴与轴套、支腿搭接位置)的应力若不超过1100MPa,则认为满足强度要求。
但这个不成文规定没有理论依据的支撑,是根据之前的设计经验总结得出的,并且之前其他泵车臂架的直连杆最大等效应力有超过超过1100MPa,在实际使用时却并未出现损坏的情况,这导致了设计人员难以把握这种拉板结构的强度评估标准。
本文以一个直连杆的受拉工况为例,从静强度和疲劳强度两个方面来进行评估,希望大家在阅读完本文后对类似结构的设计和评估会有一个更清晰的理解。
结构载荷计算时考虑了钢结构动载系数、混凝土(输送管中混凝土满管)动载系数、6级风载、末端软管横向拉拽力以及臂架水平打泵等一系列因素,且这些因素以最危险的情况同时施加在臂架上,但泵车实际使用时这种载荷组合是非常少出现的,甚至是不会出现的,也就是说使用了虚高的假载荷作为最危险的计算载荷;
钢结构许用应力计算时也考虑了安全系数,并且有些工程师将这个安全系数提高,例如将BS900D的许用应力规定到500MPa,在评估时将500MPa同时作为静强度和疲劳强度的应力标准,低于这个应力值就认为不会发生静强度破坏和疲劳破坏,这种做法把静强度和疲劳强度混为一谈了;一方面,500MPa这个静强度许用应力过于严格,很多过渡圆角等应力集中点附近的应力无法通过;另一方面,影响结构疲劳寿命的主要因素是结构的应力集中情况,应力幅、应力循环次数等,应力幅表示最大应力与最小应力差值的一半,和承受静载下的最大应力没有绝对关系。
图1.1、GB/T3811中许用应力计算
图1.2、BS900D钢许用应力值
我们平时做的强度评估基本是静强度评估,计算的最大等效应力小于许用应力即认为静强度满足设计要求。但并不是说大于许用应力就会造成结构破坏,最大等效应力在局部超过屈服强度后也不会立即破坏,只会造成局部位置出现塑性变形。
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图1.3、试件拉伸试验
图1.4、试件应力应变曲线
部件要承受动载荷,也就是部件要承受交变应力;
交变应力的循环次数要超过一定值,如标准中提到的50000次,相当于一个阈值;
交变应力的应力幅要超过疲劳极限。如果应力幅低于疲劳极限,就相当于无限寿命设计,就又回到了使用一个应力值完成静强度和疲劳强度评估的老路上,没有意义。
图1.5、GB50017中疲劳计算一般规定
图1.6、主S-N曲线
图2.1、直连杆示意图及相关尺寸
图3.1、半圆形耳片轴向拉伸时应力集中系数曲线图
通过曲线插值得到应力集中系数约为2.9,由计算公式得到A点处的最大正应力为:
图3.2、销孔拉板计算示意图
图3.3、销孔拉板关键点正应力计算公式
图3.4、B-B截面正应力计算
图4.2、B-B截面内侧的正应力
采用曲梁正应力计算公式时,假设了销轴传递给轴孔的载荷是按正弦分布的,同时还假设受力后结构没有发生形变,导致计算结果会有一定偏差;
应力集中系数手册采用光弹实验得到,704MPa与709MPa的偏差仅为0.71%,二者吻合度更好;
五、直连杆结构强度评估
图5.1、单板直连杆等效应力云图
图5.2、BS900D钢许用应力值
有限元计算时采用的是直连杆受拉最大的工况,前面提到了这个拉力的获得考虑了泵车在打泵过程中结构和混凝土的自重增大系数,同时考虑的是前端所有臂架处于水平姿态,且输送管中混凝土满管,这种极限工况很少;
BS900D的屈服强度900MPa和抗拉强度940MPa是厂家产品出厂保证的最低限值,最大等效应力并未超过屈服强度,距离抗拉强度更远;
计算时我们采用的是线弹性材料本构,而实际结构在受载后若应力超过屈服强度,则此处的应力将进入屈服阶段,载荷由其他部位的材料承担,除非载荷继续增加,导致在某些截面形成塑性铰后无法再承载,才会发生失效。即使在某些部位有非常小的区域应力超过屈服强度,也不会在短期内发生截面断裂;
先看最大应力路径上的强度评估:
图5.5、最大应力路径上的应力值
图5.6、B-B截面应力路径上的应力值
疲劳寿命理论本身并没有非常完善;
材料S-N曲线:通过试件试验得到的S-N曲线受到加载方式、材料性能等因素影响,得到的也是基于一定概率的曲线;
载荷谱/应力谱的获取:不同的产品使用条件不同,甚至是完全相同的产品使用环境也不同,导致载荷谱/应力谱没有完全的代表性;
图6.1、BS900D参考使用的S-N曲线二参数方程
通过上式得到BS900D的材料S-N疲劳寿命曲线,如下:
图6.2、BS900D的S-N曲线
上图的T表示拉力变化周期,假设泵车每分钟泵送10次,每泵送一次为一个周期,平均每天工作4小时。本文采用Ansys Workbench自带的Fatigue Tool疲劳评估工具,按照以上假设,做如下设置:
ANSYS软件提供的Fatigue tool是一个简化版的疲劳分析工具,能设置的参数少,适合在设计阶段做简单的评估,如果要对一些关重部件做疲劳分析,推荐还是采用Ncode或Fe-safe等专业软件。