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南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械廠制造生產(chǎn)的JMY-31.5型全液壓鉚接機(jī)，主要用于汽車、船舶、建筑等行業(yè)的鉚接結(jié)構(gòu)。鉚接機(jī)由液壓控制站和彎臂兩部分組成，其彎臂在工作狀態(tài)下受到一對(duì)脈沖載荷的作用。由于載荷較大，所以有必要對(duì)彎臂的靜強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，以考察彎臂結(jié)構(gòu)的合理性與安全性，并為彎臂的疲勞壽命計(jì)算提供必要的數(shù)據(jù)。本文采用彈性力學(xué)平面有限元方法對(duì)一種典型的彎臂進(jìn)行了計(jì)算，以考察有限元計(jì)算模型的合理性以及結(jié)構(gòu)的可靠性，在幾個(gè)應(yīng)力關(guān)鍵點(diǎn)處用電測(cè)法進(jìn)行了實(shí)測(cè)。結(jié)果表明，兩種方法所得數(shù)據(jù)較為吻合。
圖為315-120型彎臂的結(jié)構(gòu)示意圖，在工作時(shí)，其兩側(cè)受到一對(duì)大小相等，方向相反并且共線的載荷，時(shí)有時(shí)無(wú)，對(duì)彎臂形成脈沖式作用。一般工作載荷為240 kN左右，液壓泵可能產(chǎn)生的最大載荷P= 315 kN。為安全計(jì)，以P= 315 kN作為計(jì)算載荷。因彎臂有一縱向?qū)ΨQ面，而且載荷也作甩在這一對(duì)稱面內(nèi)。所以可認(rèn)為彎臂主要產(chǎn)生平面應(yīng)力與位移，也就是說(shuō)把彎臂強(qiáng)度分析簡(jiǎn)化為平面應(yīng)力問題來(lái)處理。由圖可看出，盡管彎臂兩側(cè)結(jié)構(gòu)不完全對(duì)稱，但作用的載荷是完全對(duì)稱的。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，選取較危險(xiǎn)的左側(cè)部分，近似地作為對(duì)稱問題來(lái)處理是可行的。這樣處理，使得有限元計(jì)算大為簡(jiǎn)化。
利用對(duì)稱性，我們選擇如圖所示的結(jié)構(gòu)作為有限元計(jì)算模型。考慮到彎臂為不等厚結(jié)構(gòu)，計(jì)算時(shí)，將漸變厚度簡(jiǎn)化為階梯式結(jié)構(gòu)來(lái)處理。在對(duì)稱面上，由于沒有位移與轉(zhuǎn)動(dòng)(不考慮剛體位移)，所以，可認(rèn)為對(duì)稱面為一固定端，在有限元計(jì)算時(shí)，將其離散化為如圖所示的支承情況。本文采用了三結(jié)點(diǎn)三角形單元，共劃分了159個(gè)單元，101個(gè)結(jié)點(diǎn)，在應(yīng)力集中區(qū)域增加了單元密度。有限元計(jì)算網(wǎng)格圖如圖所示。彎臂材料為40 Cr，彈性模量E= 206 GPa，泊松比0.3。
根據(jù)有限元法計(jì)算結(jié)果，畫出了危險(xiǎn)邊界上的最大主應(yīng)力曲線，如圖所示。結(jié)構(gòu)的最大位移發(fā)生在F點(diǎn)，其值0.78 mm。為了驗(yàn)證有限元分析結(jié)果的正確性，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，在A，B，C，D四點(diǎn)處貼上電阻應(yīng)變片進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。求出了這四點(diǎn)的相應(yīng)主應(yīng)力。(1)用平面有限元法計(jì)算彎臂的應(yīng)力，其結(jié)果與電測(cè)結(jié)果相比，兩者基本一致。這充分說(shuō)明有限元計(jì)算模型是合理的，其計(jì)算分析過(guò)程也是正確的。(2)彎臂的最大主應(yīng)力405 MPa，該彎臂材料的屈服極限785 MPa，若取安全系數(shù)從而排除了材料發(fā)生屈服破壞的可能 性。根據(jù)脈沖式受載特點(diǎn)，作者認(rèn)為，彎臂的破壞是由疲勞造成的。應(yīng)該采用疲勞強(qiáng)度分析方法對(duì)彎臂進(jìn)行更合理，更正確的分析與計(jì)算。 (3)最大應(yīng)力發(fā)生在B點(diǎn)，主要原因是截面變化引起了應(yīng)力集中，為減緩應(yīng)力集中，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量將過(guò)渡圓弧的半徑增大。其次，該彎臂經(jīng)過(guò)鍛打成型，在精加工毛胚時(shí)，應(yīng)使這部分的過(guò)渡圓弧盡量與原毛胚的圓弧一致，以免破壞材料的纖維結(jié)構(gòu)而降低彎臂的強(qiáng)度。
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