基于ANSYS的XCQ16钢轴向疲劳实验与有限元仿真.doc

文章描述了经过测试XCQ16钢的力学性能,在实验中获得疲劳寿命曲线,在疲劳损伤累积理论的基础上,通过有限元分析,利用ANSYS中疲劳分析模块,仿真模拟了XCQ16轴向疲劳实验,完成对XCQ16钢的试样疲劳寿命预测。仿真结果表明轴向疲劳仿真是可行的。
 传统的半挂拖车车桥采用三段式组焊结构,加工工艺复杂,焊接质量难以保证,产品抗疲劳性能差,使用寿命低。针对以上问题,某钢铁公司开发了整体式热成形车轴无缝钢管材料XCQ16及成形工艺,该材料通过墩粗、旋压轧、热处理、机加工和表面处理等工序,整体成形半挂车车桥。与焊接桥相比,整体式车桥具有重量轻、刚性好、使用寿命长等优点,并杜绝了焊接过程中可能出现的质量隐患,提高了使用安全性。半挂车车桥通过悬架与车架相连,其两侧安装从动车轮,用以在车架与车轮之间传递交变的铅垂力、纵向力和横向力,还承受和传递制动力矩,使用工况较为复杂。疲劳是由于载荷的交变作用,导致零部件材料内部的损伤积累,发生破坏的最大应力水平低于极限静强度,且往往低于材料的屈服极限。因此,引起疲劳失效的循环载荷的峰值往往远小于根据静态断裂分析计算出的安全载荷。实际情况统计表明,车桥产品在使用过程中有80%左右的失效属于车轴材料的疲劳失效,因此对车轴材料疲劳性能的研究,成为提高车桥设计和使用性能的重要课题。实际中,循环载荷的峰值基本是通过实验取得,实验花费的周期长、成本高。据有关资料统计,一个新产品有60%以上的问题可在设计阶段消除,而基于有限元技术的疲劳分析,可以得到零部件疲劳寿命分布云图。运用该方法可结合典型的验证性实验,实现对零部件疲劳寿命的准确预测,具有高效率、低成本等优点。因此,有限元仿真轴向疲劳实验对XCQ16钢结构疲劳研究具有重要的意义。本文通过测试XCQ16钢的力学性能,由实验得出疲劳寿命曲线,在ANSYS中直接建模,并利用疲劳分析模块进行疲劳分析,最后同实验结果进行了比较分析和讨论。
1 实验材料
    XCQ16是为解决车桥在使用过程中易变形、易弯曲、易疲劳断裂和使用寿命低等问题而研制开发的整体式车桥用无缝钢管,采用了“整体热成形工艺”加工成形。作为一种新型钢种,其XCQ16的主要化学成分如表1所示。
 
表1 XCQ16的化学成分
    XCQ16的力学性能如表2所示。拉伸试验试样根据GB/T228-2002规定加工。拉伸试验采用型号为WAW-600C的微机控制电液伺服万能试验机进行,拉伸速率为5mm/min,试样标距为50mm。冲击试验采用型号为JBD-300A的冲击试验机进行,试验温度为常温。冲击试验试样为10mm×10mm×55mm标准试样,V型缺口,缺口深度为2mm。硬度试验采用布洛维硬度计进行,硬度试验试样根据GB/-2004规定加工。
 
表2 XCQ16的力学性能
2 疲劳寿命曲线
    应力疲劳试样的疲劳寿命取决于材料的机械性能和施加的应力水平,通常以S-N曲线表示这种外加应力水平和试样寿命之间的关系。
    引起疲劳失效的主要因素有:①经历的载荷周期数;②单周期内的应力变化幅度;③单周期的平均应力;④局部应力集中的存在。
    为达到产品的要求,在给定的周期寿命和应力比的情况下,测出试样的疲劳强度,以得到车桥在要求循环次数下的最大强度。试验中,局部应力经热处理后可忽略不计。