破碎钎杆什么材质,建立静态研究算例

利用有限元分析软件SolidWorks Simulation对一钎杆进行了静力学分析，在此基础上进行了优化设计和疲劳分析，分析结果表明采用有限元方法不仅提高了设计质量和设计效率，而且改进了产品的性能，可以获得较高的经济效益。

液压破碎锤冲击过程是一个典型的二元冲击系统，活塞不是直接撞击工作介质，而是通过弹性杆将能量传递给工作介质的。 当活塞以一定的冲击末速度撞击钎尾，并将若干能量以应力波形式和一定的波速，由钎柄沿着钎杆向钎头方向传播。 、 1、结构及工况简介 1.1 初始结构 钎杆初始结构尺寸如图l所示，所选用的材料是42CrMo,其主要参数性能为：弹性模量E=212GPa。 图1 钎杆初始结构尺寸 泊松比u=0.28，屈服强度=930MPa。

1.2 工况及设计要求 由于活塞打击钎杆后，能量以应力波的形式传递，由波动理论可知作用在钎杆上的载荷和动态凿入系数相关，动态凿入系数是指某一岩石对一给定直径的压头(或钎头)产生单位凿深所需的力，经试验后通常取钎头直径时的动态凿入系数。 对于不同直径的钎杆，可认为其凿头直径等于凿杆(钎杆)直径，其对应的凿入系数 经核算动态凿入系数约为625。 由于液压锤的活塞和钎杆都属于大尺寸结构件。 尺寸愈大的构件其发生微裂纹扩展的概率愈大，根据疲劳强度统计理论，在强度校核中应考虑尺寸影响系数，算出当量应力值。 尺寸影响系数为： 式中—构件直径比;n—材料常数。 经计算=1.41，由于钎杆在使用过程中，会出现不同的使用工况，本文只对钎杆在垂直于工作对象的状态下进行静力学分析，所以要求在工作时承受应力不得超过许用应力320MPa，安全系数≥3。 此外，在满足强度的前提下，获得结构尺寸和重量，以满足经济性的设计要求。 1.3 有限元模型 静态研究阶段所关注的重点是零件所承受的应力和设计安全系数。 图1 钎杆初始结构尺寸 求添加材质、约束及压力并进行网格化分。

为了保证计算的精确度，本文中采用四面体网格，网格的大小为9.449mm，共计50149个单元。 运行静态研究获得钎杆的应力、设计安全系数如图2所示。 由图2可知钎杆承受应力为284MPa，小于材料的屈服强度;设计最小安全系数为3.27，满足设计要求。 图2 钎杆初始结构静力学分析结果 2、优化设计 优化设计研究的目标是在保证模型约束条件的前提下，尽可能使得模型达到质量轻、体积小、形状合理、成本低，以及限度的减缓应力集中现象等。

在大多数情况下，优化问题是求解非线性约束问题.可统一用如下的数学模型来描述 (X), ; 满足(X) 式中：(X)，-约束条件;X-设计变量; 在该几何模型的优化设计中，优化目标函数是钎杆的最小重量，即：。 参考国外同类产品的设计参数，将设计变量X选用四组，组为钎杆最小直径,此处为钎杆销固定位置，约束条件为：;钎杆下部的长度(即图1中775mm)约束条件为：第三组为，约束条件为：第四组为过渡圆角，约束条件为：。

应力范围：,安全系数n≥3;经17次优化迭代获得了收敛，四个设计变量在迭代过程的变化趋势如图3所示，优化后的结构尺寸和静力学结果如图4所示。 图3 设计变量的变化趋势 从图4可知，优化后的钎杆承受应力为296MPa，小于零件的屈服强度;最小安全系数为3.14，同样满足设计要求。 经优化后的钎杆重量由初始的52.96Kg减小到当前的42.16Kg,重量减轻了20.3%，取得了较高的经济效益。

3、疲劳寿命估算 疲劳寿命是指结构或机械直至破坏所作用的循环载荷的次数或时间。 疲劳破坏的过程是：零部件在循环载荷作用下，在局部的应力处，最弱的及应力的晶粒上形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展，最终导致疲劳断裂。

目前疲劳分析的方法主要有三种：名义应力法、局部应力应变法和损伤容限法。 名义应力法主要用于对弹性变形居主导地位的高周疲劳，局部应力应变法主要用于对塑性变形居主导地位的低周疲劳。

在SolidWorks环境中激活Simulation(09版改名)，建立疲劳算例后，将有限元分析的算例作为恒定振幅疲劳事件添加，负载类型基于零(LR=0)周期1000。 在有限元模型添加材料属性中带(SN)的42CrMo材料进行分析，即基于双对数的疲劳曲线被载入，勾选对等应力 (vonMises)和Soderberg 方法选项后，分别对优化前后的钎杆运行疲劳算例，得到钎杆的生命周期如图5所示。

4、结论 本文以钎杆为例，通过有限元软件SolidWorks Simulation进行结构的优化设计和疲劳寿命分析。

不仅提高了产品的设计效率，而且也改善了产品的性能，预测寿命与实际有较好的一致性。 经实际工程中应用，优化后的钎杆在强度和使用寿命上都有了显著提高，重量也减轻了，取得了很好的经济效益，也为其他规格的液压锤合理匹配钎杆提供了理论依据。 物理实质是将一长时间作用的力转化为一脉冲力，这一脉冲力可在瞬时提供足够高的应力幅值，用来破碎岩石。

钎杆作为能量传递的器具，受力状况尤为恶劣，常出现早期强度不足和疲劳断裂等不同原因的 失效。 本文利用有限元软件SolidWorks Simulation对一型号钎杆建 立了有限元模型，在对其静力学分析的基础上进行结构优化和疲 劳分析，确定出合理的几何参数和寿命周期，设计的结果为液压 锤合理匹配钎杆提供依据。 一、结构及工况简介 1.初始结构 钎杆初始结构尺寸如图l所示，所选用的材料是42Cr Mo，其主要参数性能为：弹性模量E=212G Pa，泊松比u=0.28，屈服强度σs=930MPa。 2.工况及设计要求 由于液压锤的活塞和钎杆都属于大尺寸结构件，尺寸愈大的构件其发生微裂纹扩展的概率愈大，根据疲劳强度统计理论，在强度校核中应考虑尺寸影响系数，算出当量应力值。

尺寸影响系数为：式中——构件直径比;n ——材料常数。 考虑尺寸影响的当量应力值经计算由于钎杆在使用过程中，会出现不同的使用工况，本文只对钎杆在垂直于工作对象的状态下进行静力学分析，所以要求在工作时承受应力不得 超过许用应力320MPa，安全系数大于等于3。 3.有限元模型 静态研究阶段所关注的重点是零件所承受的应力和设计 安全系数。 在SolidWorks软件状态下，启动SolidWorks Simulation 程序，建立静态研究算例，并设置结算器为Direct sparse，按工 况要求添加材质、约束及压力，并进行网格化分。 为了保证计算的精确度，本文中采用四面体网格，网格的大小为9.449mm，共计 50,149个单元。