基于ANSYS_FATIGUE的曲轴疲劳寿命计算

收稿日期: � 2010- 09- 09� 修稿日期: � 2010- 10- 09 基金项目: � 江苏省高技术研究项目 ( BG2006024 )和江苏大学高级人才启动基金资助项目 ( 06JDG067) 文章编号: � 1005- 0329( 2011) 04- 0044- 04 基于 ANSYS- FAT IGUE的曲轴疲劳寿命计算 叶晓琰,张军辉,蒋小平,丁亚娜 (江苏大学, 江苏镇江, 212013) 摘 � 要: � 基于有限元通用软件 ANSYS的疲劳寿命分析方法, 运用 ANSYS的 FATIGUE模块,将有限元方法和疲劳寿命 分析理论相结合, 对往复泵曲轴进行三维参数化建模, 并编制 APDL命令流, 建立疲劳分析文件对往复泵曲轴进行累积 损伤系数计算, 计算曲轴的疲劳寿命为 26年. 并对机组进行扩容 10%、15%后, 计算出曲轴的疲劳寿命分别为年 18年和 14. 7年。 关键词: � 曲轴;往复泵; 疲劳寿命;累积损伤系数 中图分类号: � TH 311� � � � 文献标识码: � A� � � � do:i 10. 3969 / .j issn. 1005- 0329. 2011. 04. 010 Calculation of CrankshaftFatigue L ife Based on ANSYS- FATIGUE YE X iao�yan, ZHANG Jun�hu,i JIANG X iao�p ing, D ING Ya�na ( Jiangsu Un iv ers ity, Zhenjiang 212013, Ch ina) Abstrac t: Adop ting the fatigue life ana ly sis m ethod based on ANSYS, wh ich comb ines the finite e lem ent m ethod w ith the fatigue life ana ly zing theory by using FATIGUE m odu le o fANSYS. A three dim ensiona l param e term ode l for crank�shaft has been estab� lished. The APDL comm and stream be ing com piled, and the docum en ts fo r fatigue life ana lysis be ing bu ilt, and then the fatigue life o f crank�sha ft has been ana lyzed. Results show that the fatigue life o f crank- shaft is 26 years. A ftermachine�s p lunger force w as expanded 10% and 15% , the fatigue life of the crankshaft is 18 and 14. 7yea rs. K ey word: crankshaft; rec iprocating pum p; fa tigue life; accumu la tive fa tigue usage 1� 引言 往复泵是一种高效节能的流体输送机械, 广 泛应用于石油、化肥、食品、轻工等行业。曲轴是 往复泵最关键的零件 [ 1] , 曲轴的可靠性严重影响 着往复泵的整体寿命和可靠性。曲轴几何形状复 杂,应力集中严重, 影响因素众多 [ 2]。传统的方 法计算曲轴疲劳强度,公式繁多, 计算耗时, 而且 计算结果过于保守,造成整机过于庞大,生产成本 高等缺点 [ 3]。随着往复泵朝大型化、高速、高压 方向发展,要求在曲轴设计时既要满足其可靠性 高又要尽可能的减小零件的尺寸。为此本文利用 ANSYS软件, 通过 EXCEL计算出三拐曲轴各曲 柄销上的力,加载后对曲轴进行瞬态动力学分析, 找出曲轴中最危险截面, 把危险截面对应的节点 上的应力储存在 ANSYS中,然后用 ANSYS - FA� TIGUE计算出该节点的累积损伤系数。 2� 基于 ANSYS的疲劳分析法 ANSYS的 FATIGUE模块是一种疲劳快速分 析工具,它提供疲劳分析界面环境, 只需在 AN� SYS应力分析的基础上进行疲劳设计仿真即可进 行疲劳分析。FAT IGUE模块采用广泛使用的应 力 -寿命方法,综合考虑平均应力、载荷条件与疲 劳强度系数等疲劳影响因素, 并按线性累积损伤 理论进行疲劳计算。ANSYS疲劳计算应用简化 的弹塑性假设和 M iner累计疲劳求和法则, 以 ASME锅炉与压力容器的计算为依据。采用 FA� 44 � � � � � � � � � � � � � � FLU IDMACH INERY � � � � � � � � � � � Vo l�39, No�4, 2011 T IGUE模块进行的疲劳分析包含材料疲劳性能参 数设定、疲劳分析、疲劳结果评估等步骤。 ANSYS的 FATIGUE模块具有如下疲劳计算 能力: ( 1)用后处理所得到的应力结果确定体单 元的累积损伤系数; ( 2)可以在一系列预先设定 的位置确定一定数目事件及组成这些事件的载 荷,然后保存这些位置上的应力; ( 3)可以在每个 选定的位置上定义应力集中系数和每个应力循环 定义比例系数。 完成瞬态动力学分析后, 在通用后处理器 POST1中进行疲劳分析, 一般包括 5个步骤: ( 1) 进入后处理器 POST1, 恢复数据库; ( 2)建立位 置、事件和载荷数目, 定义材料疲劳性质 ( S- N 曲线或 P- S- N曲线 ), 确定应力位置和定义应 力集中系数; ( 3)存储不同事件和不同载荷下所 关心位置的应力,并指定事件重复次数和比例系 数; ( 4)激活疲劳计算; ( 5)查看结果。 3� 曲轴受力计算 所用机组的主要设计参数为: 设计流量 40m 3 /h,最大排压 40MPa, 每分钟往复次数 265, 行程 180mm, 最大柱塞力 201062N, 根据设计要 求,曲轴每转动 9�,计算出曲柄销所受连杆力, 则 曲轴转动一周每个曲柄销上有 40个连杆力,机组 曲轴示意图如图 1所示。 图 1� 曲轴示意 三缸往复式柱塞泵曲轴的三个曲拐, 第一拐 和第二拐交错成 240�, 和第三拐成 120�, 曲轴受 力十分复杂,除了作用在曲轴上的重力是恒定不 变的, 其它的如连杆力、惯性力、原动机驱动扭矩、 支反力、各联间的纵向、横向、扭转振动惯性矩等 都将随曲轴转角 �的变化而变化 [ 4]。为了简化 模型忽略了曲轴受到支座变形、加工中不同轴度、 使用中因轴颈磨损等因素的附加载荷影响 [ 5]。 在分析中以应用最广泛的中心曲柄连杆机构形式 进行运动和受力分析,其结构作用力如图 2所示。 图 2� 中心曲柄连杆机构结构作用力示意 柱塞力 P经柱塞杆和十字头部件传递给十 字头销中心点 C, 故在运行过程中, 十字头销中心 同时作用着三个力 (柱塞力、往复惯性力和摩擦 力 ) ,统称综合活塞力。综合活塞力又可进一步 分解成两个力:与十字头滑道垂直的侧向力 N; 沿 连杆中心线的连杆力 P c。连杆力 Pc沿连杆中心 线作用于曲柄销中心 B点, 在忽略重力和旋转摩 擦力的情况下,在曲柄销中心只有连杆力 Pc的作 用,其计算式为 [ 6 ] : F�i = -m � r�2 ( cos�i+ �cos2�i ) ( 1) P � i = p i + F� i ( 2) Pc i = P�i / cos�i ( 3) 式中 � i� � � 第 i个曲拐, i= 1, 2, 3(动力输入端为 第 1拐 ) �i � � � 第 i拐曲轴转角, rad �i � � � 第 i拐连杆轴线偏离角, rad P i � � � 第 i拐活塞力, N P�i � � � 第 i拐综合活塞力, N F� i � � � 第 i拐往复惯性力, N P ci � � � 第 i拐连杆力, N � � 通过在 EXCEL中编制以上公式可以计算出 曲轴各拐的连杆作用力等, 由于数据较多。将它 们以图的形式示,如图 3所示。 图 3� 曲轴所受的各拐的连杆力 452011年第 39卷第 4期 � � � � � � � � � � 流 � 体 � 机 � 械 � � � � � � � � � 4� 曲轴疲劳寿命有限元分析 使用 PRE4. 0进行曲轴的三维实体造型, 计 算曲轴强度主要是分析连杆轴颈圆角处的应力集 中效应,如果在建模时考虑分布在轴颈上的油道 孔,则会使此处的网格非常密集,大大增加了模型 的单元数量,而且生成的网格形状也不理想,降低 了求解精度。另外根据经验 [ 7] , 对于转速不高, 四缸以下的往复泵,在油道孔周围的应力集中不 明显。因此,建模时忽略了油道孔,并忽略了半径 小于 5mm的圆角和直径小于 12的油道。将建好 的模型导入 ANSYS中对其进行网格划分, 网格采 用 So lid95单元,曲轴材料为 45号钢,其材料性能 如表 1所示。 表 1� 45号钢材料性能 项目 数值 弹性模量 E ( MPa) 209 � 103 泊松比 0. 269 密度 ( t /mm3 ) 7. 89 � 10- 9 屈服强度 (MPa) 377 � � 采用自由网格划分形式, 并对可能存在应力 集中的部位进行网格加密处理. 曲轴结构有限元 模型如图 4所示。 图 4� 划分后的曲轴网格 根据有限宽度轴颈油膜压力应力分布规律, 并忽略油孔处压力峰值突变的影响, 把实际载 荷分布假定力边界条件为: 载荷沿连杆轴颈和 曲柄销轴线方向按二次抛物线规律分布, 如图 5 所示。 图 5� 载荷的作用形式 设沿曲轴轴线方向的压力分布曲线方程为 qx = ax 2 + bx+ c ( 4) 式中 � a, b, c� � � 待定系数 qx � � � 沿曲柄轴方向的分布压力, M Pa 设轴向受力长度为 2L, 将 x = L和 x = - L代 入式 ( 4)得: aL 2 + bL + c= 0 aL 2 - bL + c= 0 ( 5) 同时当 x = 0时,将 qx = qmax代入式 ( 5)得: a= - qm ax /L, b= 0, c= qm ax ( 6) 将式 ( 6)代入式 ( 4)得 qx = qm ax ( 1- x 2 L 2 ) ( 7) 又因为压力沿轴径圆周方向 120�范围内按 余弦规律变化,则作用在曲轴销上的连杆力 P ci可 表示为: pci = 8 3 qm axR�b0 (1- x 2 L 2 ) dx= 16 9 qmaxRL ( 8) 所以 qx = 9Pc i 16RL ( 1- x 2 L 2 ) ( 9) 沿曲柄销圆周方向: q( x, �) = 9Pc i 16RL (1- x 2 L 2 ) cos 3 2 � ( 10) x= - L�L, �= - � 3 �� 3 式中 � L � � � 连杆或曲柄销轴向半长,本文用的是 连杆的轴向半长 R � � � 曲柄销半径 利用函数将压力加载到各个曲柄销上, 进行 瞬态动力学分析, 为了简化计算,每隔 9�进行一 次瞬态动力学分析,即在一个周期共计算了 40个 瞬态. 在加载载荷时, 根据以上加载理论将连杆力 逐个加载在相应位置,然后,设计分析参数,对其 进行瞬态动力学分析, 根据分析得到转角为 171� 时为曲轴转动一周应力最大值, 其平均应力云图 如图 6所示。 图 6� 曲轴最危险截面平均应力云图 46 � � � � � � � � � � � � � � FLU IDMACH INERY � � � � � � � � � � � Vo l�39, No�4, 2011 由图 6可以看出最大 V onM ises等效应力为 57. 505M Pa,远小于屈服强度 377MPa, 所以满足 静强度要求。由 V onM ises等效应力应力云图可 以看出,在长轴端和第一拐曲柄圆角过渡区的应 力较为集中, 表明该处的 V on M ises等效应力最 大,最大 VonM ises等效应力对应的节点为 348, 其 VonM ises等效应力为 57. 505M Pa,该节点的应 力将被储存起来,用于疲劳分析。 5� 疲劳分析与扩容计算 5. 1� 疲劳参数的确定 ( 1)疲劳计算的节点位置为 1个, 事件为 1 个。每个事件中有两个载荷, 即最大载荷和最小 载荷。 ( 2)曲轴 P- S- N曲线的获得, p- S- N曲 线是成组不同成活率 p下的 S- N曲线, 这一曲 线集给出了: � 在给定应力水平下的失效循环次 N的分布数据; � 在给定的有限寿命下疲劳强度 S的分布数据; �无限寿命或 N > N l的疲劳强度。 通过查图表可能得到 45号钢在成活率 p为 99% 时的 S- N曲线, 如图 7所示 [ 8]。 ( 3)最危险点为节点 348,即长轴和第一拐接 触处的过渡圆角。 图 7� 45号钢圆柱形试样在存活率为 99%时的 P- S- N曲线 5. 2� 应力、指定事件循环次数和比例因子 ( 1)采用 FS命令, 人工存储两次载荷的应 力;采用 FSNODE命令, 从 Jobnam e. RST的结果 文件中得到节点 348的应力, 得到包含 6个应力 分量的确定应力向量。 ( 2)曲轴的转速为 265r /m in, 曲轴每旋转一 分钟,最大载荷作用在曲轴上 265次, 则危险节点 在一年内的载荷循环次数计算如下 (比例因子 取 1) : n= 139284000 ( 11) 5. 3� 疲劳计算结果 通过疲劳计算, 得到曲轴使用 1年的累计损 伤系数 D = 0. 03845< 1,满足疲劳寿命要求.曲轴 的疲劳寿命: N = 1 /D = 26年 ( 12) 计算结果表明, 该机组曲轴疲劳寿命有一定 的富裕量,当用户需要节省设备投资时,该机组曲 轴有一定的扩容空间。 5. 4� 扩容计算 对该泵机组扩容 10%和 15%, 即柱塞力 P在 原有的基础上再扩大 10%和 15% ,扩大后的柱塞 力分别为 221168N和 231001N。 用 EXCEL重新计算作用各拐曲柄销上的连 杆力,加载后用 ANSYS再次做瞬态动力学和疲劳 分析,得出曲轴使用 1年累计损伤系数分别为 D = 0. 05428、0. 06785< 1, 通过式 ( 12)可以计算出 曲轴的寿命分别为 18年、14. 7年。 6� 结论 ( 1)基于 ANSYS的疲劳寿命分析方法可以 较精确计算出往复泵机组各关键受力零部件的疲 劳寿命,可为往复泵设计过程中引用等寿命设计 理念提供依据, 有助于提高往复泵的设计水平与 质量。 ( 2)当用户需要节省设备投资时, 可用该方 法对原有机组进行扩容计算, 充分利用原往复泵 机组的富余能力,达到理论指导生产的目的。 ( 3)在产品设计之初进行较精确的疲劳寿命 分析, 可以优化设计, 在确保产品可靠性的同时, 尽可能的节省原材料,实现产品的轻量化设计。 参考文献 [ 1] � 吴仕宏, 李宝筏,包文育. 新型垄作耕播机破茬清垄 装置的研究 [ J] .农机化研究, 2007( 1): 116�122. [ 2] � 李宝筏, 刘安表, 包文育, 等. 东北垄作滚动圆盘式 耕播机 [ J] .农业机械学报, 2006, 37( 5): 57�59. [ 3] � 罗红旗, 高焕文, 刘安东, 等. 玉米垄作免耕播种机 研究 [ J] .农业机械学报, 2006, 37( 4): 45�47, 63. [ 4] � 张生昌, 方宏生, 郑英臣, 等. 新型组合式隔膜泵用 三拐曲轴的研究 [ J]. 流体机械, 2009, 37 ( 12) : 35� 38. (下转第 79页 ) 472011年第 39卷第 4期 � � � � � � � � � � 流 � 体 � 机 � 械 � � � � � � � � � [ 15] � H ayashi Y, Aok i A, Adachi S, et a.l S tudy of frost properties co rrelating w ith frost formation types [ J]. T rans. ASME, H eat T ransfer. 1977, 99 ( 5): 239�245. [ 16] � Tokura I, Sa itoH, K ishinam i K. Study on prope rties and g row th rate of fro st laye rs on cold sur face [ J]. H eat T ransfe r. 1983, 105 ( 11) : 895�901. [ 17] � Kondepud i S N, O� Nea lD L. E ffects of frost grow th on ex tended surface heat exchanger perfo rmance. - a re� v iew [ J]. ASHRAE Trans. 1987, 93( 2): 258�274. [ 18] � Kondepud iS N, O� Nea lD L. The effects o f d ifferent fin configurations on the performance o f finned- tube heat ex changer under frosting cond itions [ J ]. ASHRAE Trans, 1990, 96 ( 2) : 439�444. [ 19] � Sahin A Z, E ffective therma l conductiv ity of frost during the crysta l grow th period [ J]. Internationa l Journa l o f H eat andM ass T ransfer, 2000, 43 ( 4): 539�553. [ 20] � Ohkubo H. E ffect o f surface tem pera ture on frosting phenom ena [ A ] . P ro ceedings o f 7th Internationa l Symposium on Therm a l Eng ineer ing and Sc iences fo r Co ld Reg ions[ C ]. 2001. 73�78. [ 21] � H yunuk Lee, Jom gm in Shin, Sam chul H a, et a.l F ro st form ation on a plate w ith d ifferen t surface hy� droph ilic ity [ J]. International Journa l o f H eat and M ass T ransfe r, 2004, 47( 22): 4881�4893. [ 22] � 郭宪民,王成生, 汪伟华, 等.结霜工况下空气源热 泵动态特性的数值模拟与实验验证 [ J]. 西安交通 大学学报, 2006, 40( 5) : 544�549. [ 23] � 郭宪民,陈轶光, 汪伟华, 等.室外环境参数对空气 源热泵翅片管蒸发器动态结霜特性的影响 [ J] .制 冷学报, 2006, 27( 6): 29�33. [ 24] � 郭宪民, 杨宾, 陈纯正. 翅片型式对空气源热泵机 组结霜特性的影响 [ J]. 西安交通大学学报, 2009, 43( 1) : 67�71. [ 25] � N iku lshina D G, Do l� skaya V L, So igo lina L S. et a.l Investig ation of energy cha racte ristics o f a ir coo l� ers w ith ceram ic– org an ic coa ting [ J ]. Re fr ig. T ech. 1984, ( 10): 19�21. [ 26] � Seki N, Fukusako S, M atsuo K, et a.l Inc ip ient phe� nom ena o f frost form ation [ J]、Bulle tin of the JSME, 1984, 27 ( 233): 2476�2482. [ 27] � H oke J L, Georg iadis J G, Jacob iA M. The interaction between the substrate and frost through condensate d is� tribution [ R ]. Technica lRepor,t 2000. 1�135. [ 28] � Ryu I S, Lee Y B, Ro S T. The effect of env ironm en� ta l var iables on frost forma tion on a hor izonta l cy linder [ A ]. P roc. SERAK [ C] . 2000. 104�108. [ 29] � H ighgate D, Kn ight C, P robert S D. Anoma lous freezing o f wa ter in hydroph ilic po lym eric structures [ J]. App lied Energy, 1989, 34 ( 4) : 243�259. [ 30] � Rault J, P ing Z H, Nguyen Q T. Crystalliza tion o f w ater in swo llen poly ( v iny l alcoho l) - po ly ( v iny l pyrro lidone) blends [ J]. P olym er Bu lletin, 1995, 35 ( 5): 649�652. [ 31 ] � Okoroafor E U, N ewborough M. M in im is ing frost g row th on co ld surface exposed to hum id a ir by m eans of crosslinked hydroph ilic po lym eric coatings [ J]. Applied The rm al Eng ineering, 2000, 20 ( 8): 737�758. [ 32] � Ch i- Chuan W ang, Ren - Tsung H uang, W en - Jenn Sheu, e t a.l Some observations o f the frost fo r� m ation in free convection: w ith and w ithout the pres� ence o f e lectric field [ J]. In ternational Journa l o f H eat and M ass T ransfe r, 2004, 47 ( 14�16): 3491� 3505. [ 33] � Tudo rV, OhadiM, Sa lehiM A, et a.l Advances in contro l of frost on evapo rato r co ils w ith an applied e� lectric field [ J] . Internationa l Journa l o fH eat T rans� fer, 2005, 48( 21�22): 4428�4434. [ 34] � 姬长发, 黄东, 袁秀玲. 风冷热泵冷热水机组结霜 与除霜性能的实验研究 [ J]. 西安交通大学学报, 2005, 39 ( 5): 480�484. [ 35] � 张哲, 田津津. 空气源热泵除霜性能的实验研究 [ J].低温与超导, 2008, 36( 6): 66�69 [ 36] � 顾泽波,黄东, 袁秀玲. 空气源热泵冷 (热 )水机组 的逆循环除霜性能研究 [ J]. 制冷与空调, 2008, 8 ( 3): 40�43. 作者简介:曹小林 ( 1969- ) ,男,副教授,博士,主要从事制冷 原理与设备及制冷系统热物理过程等方面的研究, 通讯地址: 410083湖南长沙市中南大学能源科学与工程学院。 (上接第 47页 ) [ 5] � 蒲军平, 吴昌华. 柴油机曲轴整体结构的三维有限 元分析研究 [ J]. 计算结构力学及其应用, 1994, ( 3): 330�335. [ 6] � 往复泵设计编写组,往复泵设计 [ M ]. 北京: 机械工 业出版社, 1987. [ 7] � 孙连科, 唐斌, 薛冬新, 等. 6110柴油机曲轴的三维 有限元分析 [ J].车用发动机, 2007, ( 2): 81�84. [ 8] � 机械工程材料性能数据手册编委会.机械工程材料 性能数据手册 [M ]. 北京机械工业出版社, 1994. 作者简介:叶晓琰 ( 1963- ) , 女,副研究员,主要从事工业泵 现代设计方法的研究,通讯地址: 212013江苏镇江市学府路 301 号江苏大学流体机械工程技术研究中心 792011年第 39卷第 4期 � � � � � � � � � � 流 � 体 � 机 � 械 � � � � � � � � �