液壓破碎錘沖擊過程是一個(gè)典型的二元沖擊系統，活塞不是直接撞擊工作(zuò)介質，而是通(tōng)過彈性杆将能量傳遞給工作(zuò)介質。當活塞以一定的沖擊末速度撞擊釺尾，并将若幹能量以應力波形式和(hé)一定的波速，由釺柄沿着釺杆向釺頭方向傳播。物理(lǐ)實質是将一長時(shí)間(jiān)作(zuò)用的力轉化為(wèi)一脈沖力，這一脈沖力可(kě)在瞬時(shí)提供足夠高(gāo)的應力幅值，用來(lái)破碎岩石。釺杆作(zuò)為(wèi)能量傳遞的器(qì)具，受力狀況尤為(wèi)惡劣，常出現早期強度不足和(hé)疲勞斷裂等不同原因的 失效。

　　本文利用有(yǒu)限元軟件SolidWorks Simulation對一型号釺杆建 立了有(yǒu)限元模型，在對其靜力學分析的基礎上(shàng)進行(xíng)結構優化和(hé)疲 勞分析，确定出合理(lǐ)的幾何參數(shù)和(hé)壽命周期，設計(jì)的結果為(wèi)液壓 錘合理(lǐ)匹配釺杆提供依據。

   一、結構及工況簡介

　　1.初始結構

　　釺杆初始結構尺寸如圖l所示，所選用的材料是42Cr Mo，其主要參數(shù)性能為(wèi)：彈性模量E=212G Pa，泊松比u=0.28，屈服強度σs=930MPa。

　　2.工況及設計(jì)要求

      由于液壓錘的活塞和(hé)釺杆都屬于大(dà)尺寸結構件，尺寸愈大(dà)的構件其發生(shēng)微裂紋擴展的概率愈大(dà)，根據疲勞強度統計(jì)理(lǐ)論，在強度校(xiào)核中應考慮尺寸影(yǐng)響系數(shù)，算(suàn)出當量應力值。尺寸影(yǐng)響系數(shù)為(wèi)：式中——構件直徑比;n ——材料常數(shù)。考慮尺寸影(yǐng)響的當量應力值經計(jì)算(suàn)

由于釺杆在使用過程中，會(huì)出現不同的使用工況，本文隻對釺杆在垂直于工作(zuò)對象的狀态下進行(xíng)靜力學分析，所以要求在工作(zuò)時(shí)承受應力不得(de) 超過許用應力320MPa，安全系數(shù)大(dà)于等于3。此外，在滿足強度的前提下，獲得(de)優結構尺寸和(hé)重量，以滿足經濟性的設計(jì)要求。

　　3.有(yǒu)限元模型

　　靜态研究階段所關注的重點是零件所承受的大(dà)應力和(hé)設計(jì) 安全系數(shù)。在SolidWorks軟件狀态下，啓動SolidWorks Simulation 程序，建立靜态研究算(suàn)例，并設置結算(suàn)器(qì)為(wèi)Direct sparse，按工 況要求添加材質、約束及壓力，并進行(xíng)網格化分。為(wèi)了保證計(jì)算(suàn)的精确度，本文中采用四面體(tǐ)網格，網格的大(dà)小(xiǎo)為(wèi)9.449mm，共計(jì)

　　50,149個(gè)單元。運行(xíng)靜态分析模塊，獲得(de)釺杆的應力、設計(jì)安全 系數(shù)，如圖2所示。由圖2可(kě)知釺杆承受大(dà)應力為(wèi)284M P a，小(xiǎo)于 材料的屈服強度;設計(jì)小(xiǎo)安全系數(shù)為(wèi)3.27，滿足設計(jì)要求。

   二、優化設計(jì)

　　優化設計(jì)的目标就是在保證模型約束條件的前提下，盡可(kě)能 使模型達到質量輕、體(tǐ)積小(xiǎo)、形狀合理(lǐ)、成本低(dī)，以及大(dà)限度減緩應力集中現象等。在大(dà)多(duō)數(shù)情況下，優化研究是求解非線性 約束問題，可(kě)統一用如下的數(shù)學模型來(lái)描述。

　　在該幾何模型的優化設計(jì)中，優化目标函數(shù)是釺杆的小(xiǎo) 重量，即：m inf (X)=minG(X)。參考國外同類産品的設計(jì)參數(shù)，将設計(jì)變量X選用四組，第一組為(wèi)釺杆小(xiǎo)直徑Φ65mm處，此處為(wèi)釺杆銷固定位置，約束條件為(wèi)：60≦d1≦70;第二組為(wèi)釺杆下部的長度(即圖1中775mm)約束條件為(wèi)：600≦l1≦800;第三組為(wèi)Φ77mm 過渡到Φ65mm的台階長度，約束條件為(wèi)：55≦l1≦70;第四組為(wèi)過渡圓角，約束條件為(wèi)：10≦R1≦20。應力範圍：，安全系數(shù)n ≥3;經17次優化叠代獲得(de)了收斂，四個(gè)設計(jì)變量在叠代過程的變化趨勢如圖3所示，優化後的結構尺寸和(hé)靜力學結果如圖4所示。

　　從圖4可(kě)知，優化後的釺杆承受大(dà)應力為(wèi)296MPa，小(xiǎo)于零 件的屈服強度;小(xiǎo)安全系數(shù)為(wèi)3.14，同樣滿足設計(jì)要求。經優化後的釺杆重量由初始的52.96kg減小(xiǎo)到當前的42.16kg，重量減輕了20.3%，取得(de)了較高(gāo)的經濟效益。

   三、疲勞壽命估算(suàn)

　　疲勞壽命是指機械結構直至破壞所作(zuò)用的循環載荷的次數(shù)或 時(shí)間(jiān)。疲勞破壞的過程是：零部件在循環載荷作(zuò)用下，在局部的高(gāo)應力處，弱及應力大(dà)的晶粒上(shàng)形成微裂紋，然後發展成宏觀裂紋，裂紋繼續擴展，終導緻疲勞斷裂。目前，疲勞分析的方法主要有(yǒu)三種：名義應力法、局部應力應變法和(hé)損傷容限法。名義應 力法主要用于對彈性變形居主導地位的高(gāo)周疲勞，局部應力應變法主要用于對塑性變形居主導地位的低(dī)周疲勞。SolidWorks Simulation軟件對于單個(gè)零件疲勞分析是基于名義應力法的，其分析過程首先根據載荷譜确定零件危險部位的應力譜;而後采用材料的S-N曲線，經過計(jì)算(suàn)結構危險部位的應力集中系數(shù)，結合材料的疲勞極限圖，通(tōng)過插值将材料的S-N曲線轉化為(wèi)零件的S-N曲線;後再由載荷譜确定的應力譜根據Miner線性損傷累積規則計(jì)算(suàn)零件的壽命。

　　在SolidWorks環境中激活SolidWorks Simulation，建立疲勞算(suàn)例後，将有(yǒu)限元分析的算(suàn)例作(zuò)為(wèi)恒定振幅疲勞事件添加，負載類型基于零(LR=0)，周期為(wèi)1000。在有(yǒu)限元模型中添加材料屬性中帶SN的42Cr Mo材料進行(xíng)分析，即基于雙對數(shù)的疲勞曲線被載入，後勾選“vonMises”(對等應力)和(hé)“Soderberg方法”選項後，分别對優化前後的釺杆運行(xíng)疲勞算(suàn)例，得(de)到釺杆的生(shēng)命周期如圖5所示。

　　根據圖5可(kě)知，釺杆優化前後小(xiǎo)生(shēng)命周期分别為(wèi)3.445x105和(hé)8.448x105，每周期1000個(gè)沖擊循環，可(kě)知液壓錘工作(zuò)頻率約為(wèi)800次/分，計(jì)算(suàn)出該釺杆的壽命：3.445x105x103/(800x60x24)=299(天);

　　8.448x105x103/(800x60x24)=733(天)，可(kě)以看出通(tōng)過結構優化後釺 杆壽命顯著增加，這也在我們的生(shēng)産實踐中同時(shí)得(de)到了驗證。

   四、結論

　　本文以釺杆為(wèi)例，通(tōng)過有(yǒu)限元軟件Solid Works Simulation進行(xíng)結構的優化設計(jì)和(hé)疲勞壽命分析。不僅提高(gāo)了産品的設計(jì)效率，而且也改善了産品的性能，預測的壽命與實際有(yǒu)較好的一緻性。經過實際工程中的應用，優化後的釺杆在強度和(hé)使用壽命上(shàng)都有(yǒu)了顯著提高(gāo)，減輕了重量，取得(de)了很(hěn)好的經濟效益，也為(wèi)其他規格的液壓錘合理(lǐ)匹配釺杆提供了理(lǐ)論依據。