基于ANSYSFE-SAFE的穿孔机主传动轴疲劳寿命预测研究

论文摘要

近些年，随着我国经济的迅猛发展，国内钢材供不应求。钢铁企业在不断扩建的同时，开足马力拼设备以追求产量最大化。在此背景下，重型轧机尤其是穿孔机的主传动轴及万向接轴断裂事故时有发生。基于上述问题，本文对某集团公司无缝穿孔机主传动轴及万向接轴的疲劳强度及疲劳寿命进行了研究。首先，使用ANSYS有限元分析软件对主传动轴和万向接进行了静强度分析。建模时采用ANSYS直接建模。根据传动轴及万向接轴的实际支撑和所受扭矩对其施加了约束和扭矩载荷。分析与讨论了主传动轴及万向接轴在920MPa扭矩载荷作用下的应力结果值和应力分布规律，同时找到了其静强度薄弱区域。更重要的是，单位载荷的静强度分析应力结果是疲劳分析的必要基础数据，它涵盖传动轴及万向接轴应力分布状况及特征。其次，疲劳强度分析另一个重要环节就是疲劳计算中使用的扭矩载荷谱。冲击扭矩载荷时间历程是影响穿孔机主传动轴及万向接轴疲劳强度及疲劳寿命的重要因素。所以，本文实测了不同工况下传动轴的扭矩载荷时间历程，并使用雨流计数法和概率统计法对实测扭矩载荷时间历程进行载荷谱编制。编制后的扭矩载荷谱更加逼近主传动轴及万向接轴的实际载荷，因此，穿孔机主传动轴及万向接轴的疲劳分析更加准确。最后，本文基于疲劳分析理论，将单位载荷静强度分析应力结果和编制的扭矩载荷谱导入ANSYS FE-SAFE疲劳分析软件中计算了主传动轴及万向接轴的疲劳强度，并预测了疲劳寿命。预测得到的穿孔机主传动轴及万向接轴的疲劳寿命与企业实际使用的主传动轴及万向接轴寿命基本相一致，证明此疲劳分析方法和疲劳寿命预测法是切实可行的。为了实时监测穿孔机主传动轴及万向接轴的扭矩载荷值并统计出造成主传动轴及万向接轴疲劳的载荷谱，更为了实时监测其疲劳交变应力及其对应的疲劳循环次数从而算出主传动轴的剩余疲劳寿命，本文设计了一套长期在线监测主传动轴扭矩载荷的扭矩传感器。由于此扭矩传感器避免了直接在传动轴上粘贴电阻应变片的诸多缺点（如，现场安装时间仓促、环境恶劣、尤其是无法实施长期牢固粘贴应变片所进行的加热与保温及密封等工艺措施）所以，其具有安装方便、测量准确、可提前标定、并可长期使用等特点。由于实验条件有限，本文没能用实验的方法标定此扭矩传感器，而是使用ANSYS软件对其进行静力学分析，得出其应力应变关系与实测应力应变数值相一致的结论，证明其设计合理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 国内外穿孔机主传动轴疲劳研究的历史及现状
• 1.1.1 国外穿孔机主传动轴疲劳研究的历史及现状
• 1.1.2 国内穿孔机主传动轴疲劳研究的历史及现状
• 1.2 课题研究内容和方法
• 1.3 课题研究的目的和意义及创新点
• 2 疲劳分析理论基础
• 2.1 疲劳概述
• 2.2 金属疲劳的破坏机理
• 2.3 疲劳累积损伤理论
• 2.3.1 线性疲劳累积损伤理论
• 2.3.2 双线性疲劳累积损伤理论
• 2.3.3 非线性疲劳累积损伤理论
• 2.4 疲劳寿命分析的方法
• 2.4.1 局部应力应变法
• 2.4.2 名义应力法
• 2.4.3 场强法
• 2.5 影响传动轴疲劳强度的因素
• 2.5.1 应力集中的影响
• 2.5.2 尺寸效应的影响
• 2.5.3 表面状态的影响
• 2.5.4 使用条件的影响
• 2.6 本章小结
• 3 穿孔机主传动轴静强度分析
• 3.1 有限元法理论
• 3.1.1 有限元法的基本思想和数理概念
• 3.2 穿孔机主传动轴静强度分析
• 3.2.1 主传动轴及万向接轴建模及网格划分
• 3.2.2 万向接轴接触定义
• 3.2.3 主传动轴及万向接轴约束和荷载施加
• 3.2.4 有限元结果及结果分析
• 3.3 本章小结
• 4 实测穿孔机主传动轴扭矩载荷与载荷谱编制
• 4.1 实测传动轴扭矩载荷时间历程
• 4.2 扭矩载荷谱编制
• 4.2.1 编制载荷谱的要求
• 4.2.2 载荷谱编制的基本理论
• 4.2.3 疲劳破环的累积损伤法
• 4.3 载荷谱编制过程
• 4.3.1 随机载荷的统计处理
• 4.3.2 载荷谱编制
• 4.3.3 穿孔机主传动轴实测载荷时间历程的编制
• 4.4 本章小结
• 5 传动轴疲劳寿命预测
• 5.1 ANSYS FE-SAFE 软件介绍
• 5.1.1 ANSYS FE-SAFE 功能介绍
• 5.1.2 软件使用流程
• 5.2 传动轴疲劳寿命预测
• 5.2.1 关于寿命预测方法的一般要求
• 5.2.2 寿命预测方法分类
• 5.2.3 随机载荷作用下的疲劳寿命估算
• 5.2.4 材料疲劳性能参数
• 5.2.5 载荷谱导入
• 5.3 疲劳寿命计算结果及分析
• 5.3.1 寿命计算
• 5.3.2 寿命结果分析
• 5.4 本章小结
• 6 传动轴扭矩实时监测与寿命估计
• 6.1 传动轴扭矩测量
• 6.1.1 传感器设计
• 6.1.2 传感器载体的有限元分析
• 6.1.3 传感器的标定
• 6.2 传动轴扭矩实时监测与寿命估计
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢