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铆接机弯臂的静强度有限元分析

发布于:2019-12-01 13:52
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      南京林业大学机械厂制造生产的JMY-31.5型全液压铆接机,主要用于汽车、船舶、建筑等行业的铆接结构。铆接机由液压控制站和弯臂两部分组成,其弯臂在工作状态下受到一对脉冲载荷的作用。由于载荷较大,所以有必要对弯臂的静强度进行有限元分析,以考察弯臂结构的合理性与安全性,并为弯臂的疲劳寿命计算提供必要的数据。本文采用弹性力学平面有限元方法对一种典型的弯臂进行了计算,以考察有限元计算模型的合理性以及结构的可靠性,在几个应力关键点处用电测法进行了实测。结果表明,两种方法所得数据较为吻合。
      图为315-120型弯臂的结构示意图,在工作时,其两侧受到一对大小相等,方向相反并且共线的载荷,时有时无,对弯臂形成脉冲式作用。一般工作载荷为240 kN左右,液压泵可能产生的最大载荷P= 315 kN。为安全计,以P= 315 kN作为计算载荷。因弯臂有一纵向对称面,而且载荷也作甩在这一对称面内。所以可认为弯臂主要产生平面应力与位移,也就是说把弯臂强度分析简化为平面应力问题来处理。由图可看出,尽管弯臂两侧结构不完全对称,但作用的载荷是完全对称的。在对结构进行有限元计算时,选取较危险的左侧部分,近似地作为对称问题来处理是可行的。这样处理,使得有限元计算大为简化。
      利用对称性,大家选择如图所示的结构作为有限元计算模型。考虑到弯臂为不等厚结构,计算时,将渐变厚度简化为阶梯式结构来处理。在对称面上,由于没有位移与转动(不考虑刚体位移),所以,可认为对称面为一固定端,在有限元计算时,将其离散化为如图所示的支承情况。本文采用了三结点三角形单元,共划分了159个单元,101个结点,在应力集中区域增加了单元密度。有限元计算网格图如图所示。弯臂材料为40 Cr,弹性模量E= 206 GPa,泊松比0.3。
      根据有限元法计算结果,画出了危险边界上的最大主应力曲线,如图所示。结构的最大位移发生在F点,其值0.78 mm。为了验证有限元分析结果的正确性,根据有限元计算结果,在A,B,C,D四点处贴上电阻应变片进行了实际测量。求出了这四点的相应主应力。(1)用平面有限元法计算弯臂的应力,其结果与电测结果相比,两者基本一致。这充分说明有限元计算模型是合理的,其计算分析过程也是正确的。(2)弯臂的最大主应力405 MPa,该弯臂材料的屈服极限785 MPa,若取安全系数从而排除了材料发生屈服破坏的可能 性。根据脉冲式受载特点,编辑认为,弯臂的破坏是由疲劳造成的。应该采用疲劳强度分析方法对弯臂进行更合理,更正确的分析与计算。 (3)最大应力发生在B点,主要原因是截面变化引起了应力集中,为减缓应力集中,在设计时应尽量将过渡圆弧的半径增大。其次,该弯臂经过锻打成型,在精加工毛胚时,应使这部分的过渡圆弧尽量与原毛胚的圆弧一致,以免破坏材料的纤维结构而降低弯臂的强度。


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