液壓破碎錘沖擊過(guò)程是一個(gè)典型的二元沖擊系統(tǒng)，活塞不是直接撞擊工作介質(zhì)，而是通過(guò)彈性桿將能量傳遞給工作介質(zhì)。當(dāng)活塞以一定的沖擊末速度撞擊釬尾，并將若干能量以應(yīng)力波形式和一定的波速，由釬柄沿著釬桿向釬頭方向傳播。物理實(shí)質(zhì)是將一長(zhǎng)時(shí)間作用的力轉(zhuǎn)化為一脈沖力，這一脈沖力可在瞬時(shí)提供足夠高的應(yīng)力幅值，用來(lái)破碎巖石。釬桿作為能量傳遞的器具，受力狀況尤為惡劣，常出現(xiàn)早期強(qiáng)度不足和疲勞斷裂等不同原因的 失效。

　　本文利用有限元軟件SolidWorks Simulation對(duì)一型號(hào)釬桿建 立了有限元模型，在對(duì)其靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和疲 勞分析，確定出合理的幾何參數(shù)和壽命周期，設(shè)計(jì)的結(jié)果為液壓 錘合理匹配釬桿提供依據(jù)。

   一、結(jié)構(gòu)及工況簡(jiǎn)介

　　1.初始結(jié)構(gòu)

　　釬桿初始結(jié)構(gòu)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：彈性模量E=212G Pa，泊松比u=0.28，屈服強(qiáng)度σs=930MPa。

　　2.工況及設(shè)計(jì)要求

      由于液壓錘的活塞和釬桿都屬于大尺寸結(jié)構(gòu)件，尺寸愈大的構(gòu)件其發(fā)生微裂紋擴(kuò)展的概率愈大，根據(jù)疲勞強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)理論，在強(qiáng)度校核中應(yīng)考慮尺寸影響系數(shù)，算出當(dāng)量應(yīng)力值。尺寸影響系數(shù)為：式中——構(gòu)件直徑比;n ——材料常數(shù)?？紤]尺寸影響的當(dāng)量應(yīng)力值經(jīng)計(jì)算

由于釬桿在使用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)不同的使用工況，本文只對(duì)釬桿在垂直于工作對(duì)象的狀態(tài)下進(jìn)行靜力學(xué)分析，所以要求在工作時(shí)承受應(yīng)力不得 超過(guò)許用應(yīng)力320MPa，安全系數(shù)大于等于3。此外，在滿足強(qiáng)度的前提下，獲得優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸和重量，以滿足經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)要求。

　　3.有限元模型

　　靜態(tài)研究階段所關(guān)注的重點(diǎn)是零件所承受的大應(yīng)力和設(shè)計(jì) 安全系數(shù)。在SolidWorks軟件狀態(tài)下，啟動(dòng)SolidWorks Simulation 程序，建立靜態(tài)研究算例，并設(shè)置結(jié)算器為Direct sparse，按工 況要求添加材質(zhì)、約束及壓力，并進(jìn)行網(wǎng)格化分。為了保證計(jì)算的精確度，本文中采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格的大小為9.449mm，共計(jì)

　　50,149個(gè)單元。運(yùn)行靜態(tài)分析模塊，獲得釬桿的應(yīng)力、設(shè)計(jì)安全 系數(shù)，如圖2所示。由圖2可知釬桿承受大應(yīng)力為284M P a，小于 材料的屈服強(qiáng)度;設(shè)計(jì)小安全系數(shù)為3.27，滿足設(shè)計(jì)要求。

   二、優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是在保證模型約束條件的前提下，盡可能 使模型達(dá)到質(zhì)量輕、體積小、形狀合理、成本低，以及大限度減緩應(yīng)力集中現(xiàn)象等。在大多數(shù)情況下，優(yōu)化研究是求解非線性 約束問(wèn)題，可統(tǒng)一用如下的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述。

　　在該幾何模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)是釬桿的小 重量，即：m inf (X)=minG(X)。參考國(guó)外同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)，將設(shè)計(jì)變量X選用四組，第一組為釬桿小直徑Φ65mm處，此處為釬桿銷固定位置，約束條件為：60≦d1≦70;第二組為釬桿下部的長(zhǎng)度(即圖1中775mm)約束條件為：600≦l1≦800;第三組為Φ77mm 過(guò)渡到Φ65mm的臺(tái)階長(zhǎng)度，約束條件為：55≦l1≦70;第四組為過(guò)渡圓角，約束條件為：10≦R1≦20。應(yīng)力范圍：，安全系數(shù)n ≥3;經(jīng)17次優(yōu)化迭代獲得了收斂，四個(gè)設(shè)計(jì)變量在迭代過(guò)程的變化趨勢(shì)如圖3所示，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)尺寸和靜力學(xué)結(jié)果如圖4所示。

　　從圖4可知，優(yōu)化后的釬桿承受大應(yīng)力為296MPa，小于零 件的屈服強(qiáng)度;小安全系數(shù)為3.14，同樣滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)優(yōu)化后的釬桿重量由初始的52.96kg減小到當(dāng)前的42.16kg，重量減輕了20.3%，取得了較高的經(jīng)濟(jì)效益。

   三、疲勞壽命估算

　　疲勞壽命是指機(jī)械結(jié)構(gòu)直至破壞所作用的循環(huán)載荷的次數(shù)或 時(shí)間。疲勞破壞的過(guò)程是：零部件在循環(huán)載荷作用下，在局部的高應(yīng)力處，弱及應(yīng)力大的晶粒上形成微裂紋，然后發(fā)展成宏觀裂紋，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，終導(dǎo)致疲勞斷裂。目前，疲勞分析的方法主要有三種：名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法和損傷容限法。名義應(yīng) 力法主要用于對(duì)彈性變形居主導(dǎo)地位的高周疲勞，局部應(yīng)力應(yīng)變法主要用于對(duì)塑性變形居主導(dǎo)地位的低周疲勞。SolidWorks Simulation軟件對(duì)于單個(gè)零件疲勞分析是基于名義應(yīng)力法的，其分析過(guò)程首先根據(jù)載荷譜確定零件危險(xiǎn)部位的應(yīng)力譜;而后采用材料的S-N曲線，經(jīng)過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部位的應(yīng)力集中系數(shù)，結(jié)合材料的疲勞極限圖，通過(guò)插值將材料的S-N曲線轉(zhuǎn)化為零件的S-N曲線;后再由載荷譜確定的應(yīng)力譜根據(jù)Miner線性損傷累積規(guī)則計(jì)算零件的壽命。

　　在SolidWorks環(huán)境中激活SolidWorks Simulation，建立疲勞算例后，將有限元分析的算例作為恒定振幅疲勞事件添加，負(fù)載類型基于零(LR=0)，周期為1000。在有限元模型中添加材料屬性中帶SN的42Cr Mo材料進(jìn)行分析，即基于雙對(duì)數(shù)的疲勞曲線被載入，后勾選“vonMises”(對(duì)等應(yīng)力)和“Soderberg方法”選項(xiàng)后，分別對(duì)優(yōu)化前后的釬桿運(yùn)行疲勞算例，得到釬桿的生命周期如圖5所示。

　　根據(jù)圖5可知，釬桿優(yōu)化前后小生命周期分別為3.445x105和8.448x105，每周期1000個(gè)沖擊循環(huán)，可知液壓錘工作頻率約為800次/分，計(jì)算出該釬桿的壽命：3.445x105x103/(800x60x24)=299(天);

　　8.448x105x103/(800x60x24)=733(天)，可以看出通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后釬 桿壽命顯著增加，這也在我們的生產(chǎn)實(shí)踐中同時(shí)得到了驗(yàn)證。

   四、結(jié)論

　　本文以釬桿為例，通過(guò)有限元軟件Solid Works Simulation進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和疲勞壽命分析。不僅提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，而且也改善了產(chǎn)品的性能，預(yù)測(cè)的壽命與實(shí)際有較好的一致性。經(jīng)過(guò)實(shí)際工程中的應(yīng)用，優(yōu)化后的釬桿在強(qiáng)度和使用壽命上都有了顯著提高，減輕了重量，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，也為其他規(guī)格的液壓錘合理匹配釬桿提供了理論依據(jù)。