18CrNiMo7-6低碳合金鋼疲勞壽命分析*

□ 李道軍 □ 李廷鋒 □ 劉德平

1.鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鄭州 450121 2.鄭州大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 鄭州 450001

1 分析背景

機(jī)械設(shè)備在工作條件下,各工件的應(yīng)力狀態(tài)隨時(shí)間產(chǎn)生規(guī)律性的周期變化,在這種規(guī)律性周期變化中存在的應(yīng)力稱(chēng)為交變應(yīng)力。在交變應(yīng)力作用下,雖然工件所受到的應(yīng)力水平低于材料的屈服強(qiáng)度,但是工件經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力往復(fù)后,會(huì)突然發(fā)生斷裂,這一現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞破壞。隨著現(xiàn)代機(jī)械的高速化和大型化發(fā)展,許多零部件在高溫、高壓、重載、腐蝕等惡劣環(huán)境下工作,疲勞破壞現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。因此,研究工件的疲勞壽命,推廣疲勞與可靠性設(shè)計(jì),對(duì)提高機(jī)械產(chǎn)品的可靠性,延長(zhǎng)使用壽命,有十分重要的意義[1]。

影響工件疲勞壽命的因素有很多,包括應(yīng)力集中、工件尺寸、工件表面狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)、載荷加載順序和頻率等。應(yīng)力集中是一種應(yīng)力在工件內(nèi)部局部區(qū)域內(nèi)增大的現(xiàn)象。在應(yīng)力集中區(qū)域,峰值應(yīng)力與工件的整體結(jié)構(gòu)和外力施加的方法等因素有關(guān),局部增大的應(yīng)力值隨應(yīng)力點(diǎn)間距的增大而迅速減小[2]。由于峰值應(yīng)力往往超過(guò)材料的屈服極限而造成工件內(nèi)應(yīng)力的再分布,因此工件所承受的真實(shí)應(yīng)力常小于理論計(jì)算得到的應(yīng)力值。工件中存在應(yīng)力集中時(shí),結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度降低,承受往復(fù)載荷時(shí)容易產(chǎn)生疲勞破壞,這是影響工件疲勞強(qiáng)度或疲勞壽命的主要因素之一。工件應(yīng)力集中的程度通常用理論應(yīng)力集中因數(shù)Kt來(lái)度量[3],理論應(yīng)力集中因數(shù)為材料彈性范圍內(nèi)最大局部應(yīng)力與名義應(yīng)力的比值。

筆者研究對(duì)象為18CrNiMo7-6低碳合金鋼,經(jīng)滲碳淬火等熱處理工藝處理后,材料表面硬度高且耐磨性好,低溫沖擊韌性較高。這一材料被廣泛應(yīng)用于高速重載齒輪等領(lǐng)域[4]。18CrNiMo7-6低碳合金鋼在重工業(yè)領(lǐng)域使用廣泛,對(duì)這一材料進(jìn)行疲勞分析尤為重要。但是,由于材料自身屬性和疲勞試驗(yàn)的特殊性,對(duì)這一材料進(jìn)行各種類(lèi)型的疲勞試驗(yàn)會(huì)耗費(fèi)大量資源。近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展,通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)疲勞試驗(yàn)進(jìn)行仿真成為了可能。Fe-safe軟件是用于高級(jí)疲勞耐久性分析的軟件,算法先進(jìn),功能全面,支持彈性、塑性、單軸、多軸應(yīng)力和局部應(yīng)變?nèi)嫫谒惴?同時(shí)支持各種載荷輸入文件格式,能夠與多種計(jì)算機(jī)輔助工程軟件進(jìn)行對(duì)接,并能夠?qū)d荷信號(hào)進(jìn)行分析處理,生成豐富、直觀的疲勞計(jì)算結(jié)果。因此,Fe-safe軟件廣泛應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車(chē)、火車(chē)、石化設(shè)備、核電站,以及通用機(jī)械等領(lǐng)域。

在研究中,筆者通過(guò)SolidWorks三維建模軟件建立18CrNiMo7-6低碳合金鋼材料標(biāo)準(zhǔn)試樣及缺口試樣三維幾何模型,使用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)試樣進(jìn)行靜力學(xué)分析,再將得到的應(yīng)力結(jié)果導(dǎo)入Fe-safe疲勞分析軟件,計(jì)算不同試樣的疲勞壽命,得到各試樣的疲勞壽命云圖。通過(guò)ABAQUS軟件和Fe-safe軟件的聯(lián)合仿真分析,可以方便快捷地計(jì)算各種材料在不同載荷條件下的疲勞壽命,節(jié)省大量資源,對(duì)工件疲勞壽命計(jì)算的工業(yè)應(yīng)用有參考價(jià)值。

2 分析流程

筆者以18CrNiMo7-6低碳合金鋼試樣為研究對(duì)象,應(yīng)用疲勞分析方法中的名義應(yīng)力法對(duì)試樣進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。名義應(yīng)力法基于材料或工件的應(yīng)力壽命曲線,對(duì)照試樣或結(jié)構(gòu)疲勞危險(xiǎn)部位的應(yīng)力集中因數(shù)和名義應(yīng)力,結(jié)合疲勞損傷累積理論,校核疲勞強(qiáng)度或計(jì)算疲勞壽命[5]。采用SolidWorks、ABAQUS、Fe-safe軟件對(duì)18CrNiMo7-6低碳合金鋼試樣進(jìn)行聯(lián)合分析,疲勞分析流程如圖1所示[6-7]。

首先,使用SolidWorks軟件建立標(biāo)準(zhǔn)試樣和缺口試樣的三維幾何模型。然后,將建立好的三維模型導(dǎo)入ABAQUS軟件進(jìn)行靜強(qiáng)度分析,得到試樣的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果。最后,將生成的.odb格式結(jié)果文件導(dǎo)入Fe-safe軟件,結(jié)合載荷譜和材料參數(shù)對(duì)試樣進(jìn)行疲勞壽命仿真計(jì)算,將計(jì)算得到的結(jié)果導(dǎo)入ABAQUS軟件進(jìn)行后處理。

▲圖1 疲勞分析流程

3 有限元分析

3.1 幾何建模

根據(jù)GB/T 3075—2008《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 軸向力控制方法》標(biāo)準(zhǔn)要求[8],軸向疲勞試驗(yàn)光滑圓形試樣如圖2所示,缺口試樣建立V形和弧形兩種[9],分別如圖3、圖4所示。將在SolidWorks軟件中建立的三維幾何模型導(dǎo)入ABAQUS軟件,進(jìn)行靜力學(xué)分析。

▲圖2 軸向疲勞試驗(yàn)光滑圓形試樣▲圖3 軸向疲勞試驗(yàn)V形缺口試樣局部視圖▲圖4 軸向疲勞試驗(yàn)弧形缺口試樣局部視圖

3.2 材料屬性定義

試樣材料為18CrNiMo7-6低碳合金鋼,化學(xué)成分見(jiàn)表1,屈服強(qiáng)度為1 016 MPa,抗拉強(qiáng)度為1 200 MPa,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3。

在ABAQUS軟件的Property模塊中創(chuàng)建材料及定義屬性,并將創(chuàng)建好的截面屬性賦予各試樣。

3.3 邊界條件施加和載荷定義

疲勞試驗(yàn)過(guò)程中,試樣下端固定,上端進(jìn)行拉伸,因此試樣左端施加固定約束,右端施加恒定載荷,試樣邊界條件和載荷如圖5所示。試驗(yàn)段面積為176.7 cm2,極限拉伸作用力為180 kN,施加的載荷P設(shè)為100 kN。

表1 18CrNiMo7-6低碳合金鋼材料化學(xué)成分

▲圖5 試樣邊界條件和載荷

3.4 網(wǎng)格劃分

結(jié)合各試樣的尺寸與受載狀態(tài),為了獲得較高的計(jì)算精度,采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元C3D8R結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[10],試驗(yàn)段采用較密的均勻網(wǎng)格劃分。光滑試樣全局網(wǎng)格尺寸為2 μm,局部加密尺寸為1 μm,網(wǎng)格劃分后的單元數(shù)為32 130。V形和弧形缺口試樣全局網(wǎng)格尺寸為2 μm,缺口試驗(yàn)段加密尺寸為0.8 μm,網(wǎng)格劃分后的單元數(shù)分別為54 864和52 398。各試樣網(wǎng)格模型如圖6所示。

▲圖6 試樣網(wǎng)格模型

3.5 分析結(jié)果

將上述各模型分別導(dǎo)入ABAQUS軟件進(jìn)行靜強(qiáng)度分析,在后處理模塊中可以得到各試樣靜力學(xué)等效應(yīng)力云圖,如圖7所示。

通過(guò)等效應(yīng)力云圖,可以得到試樣靜力學(xué)分析結(jié)果。各試樣的最大應(yīng)力均位于試驗(yàn)段中部,光滑試樣最大應(yīng)力值為574.5 MPa,V形缺口試樣最大應(yīng)力值為1 876 MPa,弧形缺口試樣最大應(yīng)力值為1 658 MPa。

▲圖7 試樣靜力學(xué)等效應(yīng)力云圖

當(dāng)試樣拉伸時(shí),夾持端的應(yīng)力小,且施加固定約束端的應(yīng)力值最小。試樣應(yīng)力值最大部位即為危險(xiǎn)部位,最容易發(fā)生疲勞破壞。

4 疲勞壽命分析

4.1 前處理

Fe-safe軟件全壽命分析需要在有限元分析的基礎(chǔ)上定義材料參數(shù)、載荷信息、表面質(zhì)量參數(shù)等。通過(guò)Fe-safe軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中含有的Seeger材料近似算法,在材料屬性中輸入材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量,即可生成材料的應(yīng)力壽命曲線,如圖8所示。采用正弦波形載荷譜進(jìn)行加載,頻率為100 Hz,如圖9所示。通過(guò)Fe-safe軟件的材料數(shù)據(jù)庫(kù)及管理系統(tǒng)設(shè)置好表面粗糙度等相關(guān)參數(shù)后,進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。

4.2 分析結(jié)果

將通過(guò)Fe-safe軟件計(jì)算得到的.odb格式結(jié)果文件導(dǎo)入ABAQUS軟件進(jìn)行后處理,得到各試樣疲勞壽命云圖,如圖10所示。各試樣應(yīng)力及疲勞壽命計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

▲圖8 18CrNiMo7-6低碳合金鋼應(yīng)力壽命曲線▲圖9 正弦波形載荷譜

▲圖10 試樣疲勞壽命云圖

由圖10可知,光滑試樣和弧形缺口試樣兩端的壽命最大應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為107;壽命最短處位于試驗(yàn)段中部,說(shuō)明此處最易發(fā)生疲勞破壞。

表2 試樣應(yīng)力與疲勞壽命計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者采用有限元方法對(duì)18CrNiMo7-6低碳合金鋼各類(lèi)型試樣進(jìn)行了靜力學(xué)仿真分析,并基于疲勞累積損傷理論,通過(guò)ABAQUS和Fe-safe軟件聯(lián)合仿真對(duì)各試樣進(jìn)行了疲勞壽命計(jì)算,得到了各試樣的疲勞壽命云圖。結(jié)果表明,應(yīng)力集中對(duì)疲勞壽命有較大影響,應(yīng)力集中現(xiàn)象最顯著的試樣,疲勞壽命相對(duì)最短,最容易發(fā)生疲勞破壞。

V形缺口試樣由于應(yīng)力集中現(xiàn)象,自身疲勞壽命遠(yuǎn)低于光滑試樣和弧形缺口試樣。因此,在加工制造中要避免應(yīng)力集中現(xiàn)象,以保證工件的使用壽命。

對(duì)18CrNiMo7-6低碳合金鋼各試樣進(jìn)行有限元分析和疲勞壽命分析,可以對(duì)工件疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)和制造評(píng)估,為生產(chǎn)實(shí)踐提供參考。