曳引機(jī)機(jī)座和端蓋有限元結(jié)構(gòu)分析畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)</b></p><p>　　題 目： 曳引機(jī)機(jī)座和端蓋有限元結(jié)構(gòu)分析 </p><p>　　院 系： 機(jī)械工程學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化 班級(jí)： 學(xué)號(hào)：</p>

2、<p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　完成日期： 2014年5月20日 </p><p>　　誠(chéng) 信 聲 明</p>

3、<p><b>　　本人聲明：</b></p><p>　　1、本人所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是在老師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果；</p><p>　　2、據(jù)查證，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中不包含其他人已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表過(guò)的研究成果，也不包含為獲得其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位而使用過(guò)的材料；</p><p>　

4、　3、我承諾，本人提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中的所有內(nèi)容均真實(shí)、可信。</p><p>　　作者簽名： 日期： 2013年12月27日</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)</p><p>　　設(shè)計(jì)（論文）題目： 曳引機(jī)機(jī)座和端蓋有限元結(jié)構(gòu)分析 </p>&l

5、t;p>　　姓名 劉亮 系別 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化 班級(jí)學(xué)號(hào)</p><p><b>　　基本任務(wù)及要求：</b></p><p>　　1．完成本課題的開(kāi)題報(bào)告（含文獻(xiàn)綜述）； </

6、p><p>　　2．對(duì)曳引機(jī)機(jī)座和端蓋的工作原理進(jìn)行分析論證，并利用Solid Works 2012對(duì)其進(jìn)行三維建模； </p><p>　　3．利用Solid Works 2012對(duì)曳引機(jī)機(jī)座和端蓋進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)構(gòu)疲勞分析和結(jié)構(gòu)模態(tài)分析； </p><p>　　4．撰

7、寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 </p><p>　　二、進(jìn)度安排及完成時(shí)間：</p><p>　　1．宣布畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù) 、明確課題要求，收集、閱讀相關(guān)資料； 0.5周</p><p>　　2．.調(diào)查研究、分析課題要求、完成開(kāi)題報(bào)告和畢業(yè)實(shí)習(xí)；

8、 2.5周</p><p>　　3．課題方案論證 ； 2周</p><p>　　4．三維建模及有限元分析： 2周 </p><p>　　1

9、）結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析 2周</p><p>　　2）結(jié)構(gòu)疲勞分析 2周</p><p>　　3）結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

10、 2周</p><p>　　5．撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū) 2周</p><p>　　6．答辯 1周</p><

11、p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要1</b></p><p>　　Abstract2</p><p><b>　　第一章 緒論3</b></p><p>　　1.1 項(xiàng)目背景及意義3</p><p>　　

12、1.2 課題研究的現(xiàn)狀與發(fā)展4</p><p>　　1.3 課題研究的方案和步驟5</p><p>　　第二章 曳引機(jī)機(jī)座和端蓋圖6</p><p>　　2.1 機(jī)座和端蓋2D零件圖6</p><p>　　2.2 Solid Works建模工程流程7</p><p>　　2.3 曳引機(jī)整體受力和3D模型8

13、</p><p>　　2.4 曳引機(jī)整體安裝網(wǎng)格化8</p><p>　　第三章 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析9</p><p>　　3.1 線性靜力學(xué)分析基礎(chǔ)知識(shí)9</p><p>　　3.1.1靜力學(xué)分析概述9</p><p>　　3.1.2靜力學(xué)分析的一般流程10</p><p>　　3.2

14、 機(jī)座及端蓋的有限元仿真11</p><p>　　3.2.1材料類型11</p><p>　　3.2.2單元類型11</p><p>　　3.2.3網(wǎng)格劃分12</p><p>　　3.3 載荷及邊界條件14</p><p>　　3.3.1整體受力14</p><p>　　3.3.2

15、機(jī)座和端蓋的約束及受力16</p><p>　　3.3.3有限元模型的加載和約束16</p><p>　　3.4 應(yīng)力應(yīng)變及安全性能分析17</p><p>　　3.4.1機(jī)座及端蓋采用QT400材料17</p><p>　　3.4.2機(jī)座及端蓋采用HT300材料25</p><p>　　3.5 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)結(jié)

16、果分析28</p><p>　　3.5.1機(jī)座及端蓋的強(qiáng)度、剛度分析以及不同工況對(duì)比28</p><p>　　3.5.2兩種材料選配方案的比較29</p><p>　　第四章 結(jié)構(gòu)疲勞分析31</p><p>　　4.1 疲勞分析基礎(chǔ)知識(shí)31</p><p>　　4.1.1疲勞分析知識(shí)概述31</p

17、><p>　　4.1.2關(guān)于Solid Works Simulation疲勞分析參數(shù)闡述32</p><p>　　4.1.3疲勞分析操作流程39</p><p>　　4.2 機(jī)座及端蓋有限元建模39</p><p>　　4.2.1材料疲勞載荷的設(shè)定39</p><p>　　4.2.2材料疲勞曲線39</p&

18、gt;<p>　　4.3 結(jié)構(gòu)疲勞分析及結(jié)果總結(jié)40</p><p>　　4.3.1材料為QT400疲勞分析結(jié)果41</p><p>　　4.3.2材料為HT300疲勞分析結(jié)果45</p><p>　　4.4 疲勞分析結(jié)果及論證49</p><p>　　第五章 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析50</p><p>

19、;　　5.1 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析基礎(chǔ)知識(shí)50</p><p>　　5.2 機(jī)座及端蓋有限元建模50</p><p>　　5.3 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析及結(jié)果總結(jié)51</p><p>　　5.3.1 QT400機(jī)座及端蓋模態(tài)分析結(jié)果51</p><p>　　5.3.2 HT300機(jī)座及端蓋模態(tài)分析結(jié)果55</p><p>　　

20、5.3.3 QT400和HT300端蓋模態(tài)分析結(jié)果58</p><p>　　5.4 結(jié)構(gòu)模態(tài)結(jié)果分析64</p><p><b>　　結(jié) 論65</b></p><p><b>　　致 謝66</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)67</b></

21、p><p>　　曳引機(jī)機(jī)座及端蓋的有限元結(jié)構(gòu)分析</p><p>　　摘要：曳引機(jī)機(jī)座和端蓋是曳引機(jī)主要支撐部件，其性能直接影響電梯的可靠度和安全性，對(duì)其進(jìn)行有限元分析從而改善其性能是急需的，有著重大意義。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)采用Solid Works 2012對(duì)曳引機(jī)主要支撐部件機(jī)座及端蓋進(jìn)行三維建模，再根據(jù)電梯平穩(wěn)和加速運(yùn)行時(shí)兩種不同工況的分析情況，用So

22、lid Works 2012有限元方法對(duì)其靜力學(xué)分析，計(jì)算其位移，應(yīng)變和應(yīng)力以及其安全系數(shù)。為準(zhǔn)確了解該型號(hào)曳引機(jī)主要支撐部件(機(jī)座及端蓋)的使用壽命，從而提高其可靠性，在靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上分析了該型機(jī)座和端蓋的疲勞壽命。通過(guò)查看損壞百分比，生命周期和載荷因子等指標(biāo)來(lái)評(píng)判該結(jié)構(gòu)的疲勞性能。考慮到曳引機(jī)支撐部件在外界載荷作用下將產(chǎn)生振動(dòng)，為了評(píng)價(jià)其固有振型和頻率，運(yùn)用模態(tài)分析技術(shù)和有限元方法在Solid Works 2012軟件下分析

23、了其模態(tài)。進(jìn)一步根據(jù)兩種不同材料對(duì)其結(jié)構(gòu)靜力學(xué)，疲勞壽命和模態(tài)分析進(jìn)行了比較，根據(jù)其強(qiáng)度，剛度，疲勞壽命進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高其綜合性能。</p><p>　　關(guān)鍵詞：曳引機(jī); 有限元; 疲勞壽命; 模態(tài)分析;Solid Works 2012; 靜力學(xué)分析</p><p>　　The finite element analysis of motor end shield and frame&l

24、t;/p><p>　　Abstract: The frame and end shield are the main support components of elevator motor. It directly affect the reliability and safety of the elevator. It is a great significance to carry on the finite

25、element analysis to improve property of levator motor.</p><p>　　The 3D model ,the main supported part of elevator motor (frame and end shield) were built by the Solid Works 2012. The statics displacement, st

26、rain and stress were calculated according to the two different cases of elevator —working normal and working more faster. In order to understand the frame and end shield’s working life and make sure the reliability of it

27、, the fatigue life about the frame and end shield of the motor were analyzed which based on the result of statics analysis. The fatigue </p><p>　　Keywords: Elevator motor; the finite element analysis；Fatigu

28、e life; Modal analysis; Solid Works 2012; Static analysis </p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 項(xiàng)目背景及意義</p><p>　　近年來(lái),我國(guó)城市的高層建筑日益增多,因而對(duì)電梯制造業(yè)提出了新的要求。電梯是當(dāng)今世界高層建筑中不可缺少的垂直方向交

29、通運(yùn)輸工具，給人民的生活帶來(lái)了便利和舒適感，特別在高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)和經(jīng)濟(jì)貿(mào)易活動(dòng)中，電梯已經(jīng)成為城市物質(zhì)文明的一種標(biāo)志。電梯作為垂直運(yùn)輸?shù)纳翟O(shè)備，在高層建筑中可以將乘客和貨物安全、合理、高效地送到不同的樓層。由于這些優(yōu)點(diǎn)，在超高層建筑飛速崛起的今天，電梯和電梯技術(shù)已經(jīng)成為與人們工作生活息息相關(guān)的重要組成部分。</p><p>　　電梯作為用電的設(shè)備，其中電梯曳引機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是主要用電對(duì)象。曳引機(jī)是電梯的核

30、心部件，主要由同步電動(dòng)機(jī)、曳引輪和制動(dòng)系統(tǒng)組成，其中主要承載部件包括三部分：一部分是由機(jī)座和端蓋構(gòu)成的支撐部件，一部分是由軸輪轂、輪輻、曳引輪構(gòu)成的運(yùn)轉(zhuǎn)部件，另外一部分是由制動(dòng)瓦、制動(dòng)臂及制動(dòng)桿構(gòu)成的制動(dòng)部件。曳引機(jī)機(jī)座和端蓋是曳引機(jī)主要支撐部件，它的尺寸和材料參數(shù)還影響著曳引機(jī)整體尺寸和重量，并且在很大程度上影響著電梯的可靠性。機(jī)座和端蓋的破壞通常是受到地腳安裝處螺栓預(yù)緊和振動(dòng)導(dǎo)致，另外機(jī)座和端蓋軸承安裝處受到轉(zhuǎn)子帶動(dòng)軸承的壓力載荷作

31、用有可能導(dǎo)致變形。“城市，讓生活更美好”，隨著人民生活水平的日益提高，對(duì)住房、娛樂(lè)場(chǎng)所的需求也日趨緊迫，高樓大夏如雨后春筍般崛起。正因?yàn)榇?，電梯成為了人們工作生活中高頻接觸的東西，機(jī)座和端蓋作為曳引機(jī)的主要支撐部件，其疲勞損壞，強(qiáng)度和剛度不夠均會(huì)嚴(yán)重后果。影響強(qiáng)度、剛度和模態(tài)的因素有機(jī)座和端蓋的材料屬性和結(jié)構(gòu)特性，為了保證足夠的強(qiáng)度和剛度，又不至于造成成本過(guò)高，確保其安全、高效的工作，對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析、疲勞壽命和模態(tài)狀況分析是必要和急

32、需的。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)通過(guò)有限元的分析方法，根據(jù)機(jī)座和端蓋的實(shí)際結(jié)構(gòu)和承載情況，較為準(zhǔn)確地分析出它們的應(yīng)力分布情況和疲勞度以及固有振動(dòng)頻率和振型，從而由這些重要的數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步分析出曳引機(jī)機(jī)座和端蓋振動(dòng)的主要失效形式和危險(xiǎn)位置，并且可以為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析提供實(shí)際依據(jù)，相互比較，診斷出結(jié)構(gòu)的故障和隱患，然后進(jìn)行改進(jìn)，提高工作中工作效率，避免由于它的振動(dòng)造成的事故。</p><p>

33、　　1.2 課題研究的現(xiàn)狀與發(fā)展</p><p>　　近年來(lái)， 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高， 有限元分析方法在工程設(shè)計(jì)和分析中，已成為解決復(fù)雜工程分析計(jì)算問(wèn)題的有效途徑。FEA也稱為有限元法，是一種求解關(guān)于場(chǎng)問(wèn)題的一系列偏微分方程的數(shù)值方法。有限元作為CAE技術(shù)中的一種關(guān)鍵計(jì)算方法，以其獨(dú)有的魅力得到了越來(lái)越廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。目前，已出現(xiàn)了不同形態(tài)的有限元方法，并由此產(chǎn)生了一批非常成熟的通用和專業(yè)的

34、有限元商業(yè)軟件。 </p><p>　　曳引機(jī)的支撐部分的靜力學(xué)分析、疲勞和模態(tài)分析等一直是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，近年來(lái)，隨著有限元理論的發(fā)展，基于有限元法的機(jī)座和端蓋的研究，越來(lái)越倍受關(guān)注。Solid Works 2012具備一階實(shí)體四面體單元、二階實(shí)體四面體單元、一階三角形殼單元、二階三角形殼單元和橫梁?jiǎn)卧?。具備三種材料模型庫(kù)，也可以對(duì)材料進(jìn)行自定義或安裝企業(yè)所需的材料庫(kù)模型，具備模擬大多數(shù)典型工程材料的性能，其中

35、包括金屬、非金屬、橡膠、木材、高分子材料、復(fù)合材料、鋼筋混凝土等材料。同時(shí)，Solid Works 2012不僅具備十分豐富的外部載荷約束條件設(shè)置，還擁有強(qiáng)大的約束連接設(shè)置，能真實(shí)的模擬彈簧、螺栓、點(diǎn)焊等連接關(guān)系，充分分析間隙、過(guò)渡、過(guò)盈配合，可以從三維笛卡爾坐標(biāo)系、圓柱坐標(biāo)系和球面坐標(biāo)系對(duì)結(jié)果進(jìn)行觀察分析。作為通用的模擬分析工具，Solid Works 2012不僅能解決結(jié)構(gòu)分析中的問(wèn)題（應(yīng)力/位移），還能模擬和研究各種領(lǐng)域中的問(wèn)題，

36、如熱力傳導(dǎo)、跌落測(cè)試、屈曲分析、非線性分析、線性動(dòng)力學(xué)分析、壓力容器設(shè)計(jì)分析和優(yōu)化分析。用Solid Works 2012做有限元分析越來(lái)越受到大眾的青睞，因?yàn)樗哂袕?qiáng)大三維建模功能，</p><p>　　1.3 課題研究的方案和步驟</p><p>　　本課題應(yīng)用有限元分析軟件，通過(guò)建立各部件有限元仿真模型及整機(jī)裝配模型，并模擬實(shí)際受力狀況，對(duì)曳引機(jī)的主要部件，即由機(jī)座和端蓋組成的支撐部

37、件，進(jìn)行特定工況下的位移、應(yīng)變、應(yīng)力及安全性能分析，從而對(duì)整機(jī)及部件的機(jī)械強(qiáng)度與剛度出正確評(píng)估預(yù)測(cè)。首先，為了得到較為精確的分析結(jié)果，本次課題將采用階實(shí)體四面體單元，因?yàn)殡A實(shí)體四面體單元能很好的模擬真實(shí)的變形形狀，再通過(guò)網(wǎng)格控制功能，對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行網(wǎng)格加密，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，為以后分析計(jì)算的精準(zhǔn)性打下牢固的基礎(chǔ)；再對(duì)模型賦予不同的材質(zhì)，觀察和分析不同材質(zhì)對(duì)其強(qiáng)度和剛度的影響，通過(guò)對(duì)不同材料的位移、應(yīng)力、應(yīng)變及安全系數(shù)的比較，得出靜力學(xué)分析結(jié)

38、論。為準(zhǔn)確了解其使用壽命，在靜力學(xué)解算出模型的位移和應(yīng)力應(yīng)變的基礎(chǔ)上，借助Solid Works Simulation,根據(jù)實(shí)際情況，采用FFE Plus解算模型平穩(wěn)和加速運(yùn)行工況下的疲勞性能，通過(guò)損壞、生命和載荷因子等參數(shù)對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行了分析?？紤]到曳引機(jī)支撐部件在外界載荷作用下將產(chǎn)生振動(dòng)，為了評(píng)價(jià)其固有振型和頻率，運(yùn)用模態(tài)分析技術(shù)的有限元方法在Solid Works 2012軟件下解算模型并抽取特征值分析了其模態(tài)。</p&g

39、t;<p>　　一般有限元分析軟件基本操作步驟一致，分為前處理，求解和后處理3大步驟，Solid Works 2012有限元分析具體細(xì)分為7步驟：選擇分析類型→賦予應(yīng)用材料→添加約束關(guān)系→施加外部載荷→劃分網(wǎng)格→運(yùn)行算例→查看結(jié)果文件。這里基于曳引機(jī)機(jī)座和端蓋的靜力學(xué)、疲勞和模態(tài)分析采用的基本流程是：分析問(wèn)題并了解其基本知識(shí)，三維建模，創(chuàng)建有限元模型，計(jì)算求解和分析論證結(jié)果。</p><p>　　第

40、二章 曳引機(jī)機(jī)座和端蓋圖</p><p>　　2.1 機(jī)座和端蓋2D零件圖</p><p>　　曳引機(jī)的機(jī)座和端蓋的二維零件圖分別如下圖2.1和2.2所示：</p><p>　　圖2.1 曳引機(jī)機(jī)座零件圖</p><p>　　圖2.2 曳引機(jī)端蓋零件圖</p><p>　　2.2 Solid Works建模工程流程&

41、lt;/p><p>　　根據(jù)零件圖，利用Solid Works 2012軟件進(jìn)行產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)，必須先了解該軟件的設(shè)計(jì)工作流程，就是說(shuō)在設(shè)計(jì)零部件的過(guò)程中需對(duì)零部件形成的形成過(guò)程有一個(gè)比較流暢的設(shè)計(jì)思路，明確先大局，后小節(jié)；先整體，后細(xì)節(jié)的產(chǎn)品形成流程。</p><p>　　使用Solid Works 2012進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，同時(shí)，按照軟件設(shè)計(jì)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程進(jìn)行一步一步的建立。在對(duì)Solid W

42、orks 2012中的零部件進(jìn)行建模中，在總體上可以將其分為以下流程進(jìn)行建立，如圖2-3所示：</p><p>　　圖2.3 Solid Works 建模工程流程圖</p><p>　　2.3 曳引機(jī)整體受力和3D模型</p><p>　　該曳引機(jī)主要受重力作用，輪轂上受到電梯橋廂對(duì)它的拉力和轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的力矩，轉(zhuǎn)子上電磁作用產(chǎn)生的力矩和定子上產(chǎn)生的反作用力矩。<

43、/p><p>　　曳引機(jī)整體安裝在工字鋼梁上，包括曳引機(jī)轉(zhuǎn)子環(huán)、轉(zhuǎn)子、曳引輪、后端蓋、前軸承外蓋、轉(zhuǎn)軸、前軸承、后軸承、花鍵、螺釘、機(jī)座、工字鋼梁等主要部件，部件中的修飾或裝配圓角、導(dǎo)角等非結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)被簡(jiǎn)化。</p><p>　　2.4 曳引機(jī)整體安裝網(wǎng)格化</p><p>　　曳引機(jī)有限元網(wǎng)格模型采用二階實(shí)體四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格方式，并生成其爆炸視圖。裝配中為了簡(jiǎn)化模型

44、，端蓋和機(jī)座采用“結(jié)合”的連接方式，既不影響結(jié)論的得出，又節(jié)省計(jì)算時(shí)間，其他部分的接觸采用的面面結(jié)合的接觸方式，從而保證總裝圖的各個(gè)部件之間能夠進(jìn)行有效的約束。邊界條件施加情況如下，工字鋼梁兩端面的6個(gè)自由度均被約束住，施加在曳引輪、定子轉(zhuǎn)子環(huán)上的扭矩以及加在曳引輪上的壓力通過(guò)耦合到中間軸的方式進(jìn)行加載。</p><p>　　第三章 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析</p><p>　　3.1 線性靜力學(xué)

45、分析基礎(chǔ)知識(shí)</p><p>　　3.1.1靜力學(xué)分析概述</p><p>　　結(jié)構(gòu)線性靜力學(xué)分析是零件結(jié)構(gòu)分析最基礎(chǔ)的部分，用于計(jì)算系統(tǒng)在固定不變的載荷下的響應(yīng)，或者在對(duì)于該系統(tǒng)可以等同于固定不變的載荷下的響應(yīng)。另外，當(dāng)隨時(shí)間變化的載荷可以用近似等價(jià)的靜力載荷來(lái)代換，或者載荷和系統(tǒng)的響應(yīng)隨時(shí)間變化足夠緩慢時(shí)，也可以作為靜力學(xué)分析。靜力學(xué)分析可以計(jì)算結(jié)構(gòu)或者零部件中由于靜態(tài)或者穩(wěn)態(tài)載荷而引

46、起的位移，應(yīng)變，應(yīng)力和各種力。這些載荷可以是外部作用力和壓力，穩(wěn)態(tài)慣性力（重力和離心力），強(qiáng)制（非零）位移，溫度（熱應(yīng)變）。</p><p>　　線性靜載中認(rèn)為材料在線彈性范圍內(nèi)變形，結(jié)構(gòu)在線性范圍內(nèi)變化，排除任何的非線性行為，是結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析中最基本、最常用的。</p><p>　　Solid Works 2012有兩類解算器：FFE Plus和Direct sparse。通常，如果所需

47、的解算器選項(xiàng)支持，則所有解算器會(huì)給出可比較的結(jié)果。處理小問(wèn)題時(shí)（25000個(gè)自由度或更少），所有的解算器都很有效；而當(dāng)求解大問(wèn)題時(shí)，它們的性能（速度和內(nèi)存使用）會(huì)出現(xiàn)很大差異。</p><p>　　以下一些因素可幫助選擇合適的解算器：</p><p>　　問(wèn)題的大小。一般而言FFE Plus解算器在計(jì)算機(jī)可用內(nèi)存足夠多時(shí)速度較快。</p><p>　　計(jì)算機(jī)資源。D

48、irect sparse解算器在計(jì)算機(jī)可用內(nèi)存足夠多時(shí)速度較快。</p><p><b>　　分析選項(xiàng)。</b></p><p><b>　　單元類型。</b></p><p>　　材料屬性。當(dāng)模型中使用的材料彈性模量差異很大時(shí)（比如鋼和尼龍），迭代求解比直接求解精度低，在這種情況下，推薦使用Direct sparse解算

49、器。</p><p>　　在算例的屬性欄中可以選擇解算器的類型，如圖3.1所示。因?yàn)檫x擇合適的解算器需要一定的經(jīng)驗(yàn)，這時(shí)可以選擇自動(dòng)，在不確定哪個(gè)解算器是分析的最佳選項(xiàng)時(shí)，使用該選項(xiàng)[6]。</p><p>　　圖3.1 Solid Works 2012解算器類型</p><p>　　3.1.2靜力學(xué)分析的一般流程</p><p>　　做結(jié)構(gòu)

50、靜力學(xué)分析的軟件很多，對(duì)FEA，列出以下步驟：1）建立數(shù)學(xué)模型，2）建立有限元模型，3)求解有限元模型，4）結(jié)果分析。使用Solid Works操作流程一般歸納為如圖3.2所示：</p><p>　　圖3.2 靜力學(xué)分析流程圖</p><p>　　通常情況下，幾何模型對(duì)網(wǎng)格的要求有著極其重要的意義，需要修改CAD幾何模型，以滿足網(wǎng)格劃分的要求。這種修改可以通過(guò)采取特征消隱、理想化或清除的方

51、法。</p><p>　　3.2 機(jī)座及端蓋的有限元仿真</p><p><b>　　3.2.1材料類型</b></p><p>　　Solid Works 2012軟件本身提供了Solid Works DIN material和Solid Works material兩種常用材料的材質(zhì)庫(kù)，用戶可以選擇“自定義材料”選項(xiàng)或安裝企業(yè)需要的材料庫(kù)，

52、對(duì)所需材料的屬性進(jìn)行編輯或定義。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)分析，采用QT400-18和HT300兩種材料，其主要屬性參數(shù)見(jiàn)表3.1</p><p>　　表3.1 材料屬性參數(shù)表</p><p><b>　　3.2.2單元類型</b></p><p>　　為模擬機(jī)座和端蓋的結(jié)構(gòu)，均應(yīng)用Solid Works 2012

53、建模工具，采用三維實(shí)體、自下而上分別建模，由于一階單元組成的網(wǎng)格，其模擬出真實(shí)復(fù)雜的位移和應(yīng)力場(chǎng)是有嚴(yán)重局限性的，并且直線和平面不能正確的模擬曲面型幾何形狀，故選用二階實(shí)體四面體單元網(wǎng)格。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)結(jié)合拉伸和旋轉(zhuǎn)的方法,應(yīng)用布爾運(yùn)算,采用實(shí)體建模.曳引機(jī)的主要部件均有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu),如不進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,分析過(guò)程中不僅工作量大,占用較多計(jì)算資源,重要的是在劃分單元過(guò)程中一些細(xì)微的結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生較多奇

54、異單元,即畸形單元網(wǎng)格，使計(jì)算不能繼續(xù)。因此,對(duì)三維模型進(jìn)行必要簡(jiǎn)化既提高了工作效率,又可使計(jì)算順利進(jìn)行。簡(jiǎn)化的原則是以不影響或少影響構(gòu)件受力狀況為前提,略去小的溝槽、倒角、圓角和小孔等細(xì)微結(jié)構(gòu),得到與實(shí)際受力基本相符的簡(jiǎn)化的幾何模型，如圖3.3所示：</p><p>　　圖3.3 機(jī)座和端蓋簡(jiǎn)化模型</p><p><b>　　3.2.3網(wǎng)格劃分</b></p

55、><p>　　網(wǎng)格劃分是 CAE 軟件進(jìn)行模擬計(jì)算的關(guān)鍵步驟之一，網(wǎng)格劃分過(guò)程即離散化過(guò)程，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量精度高低直接關(guān)系到分析結(jié)果的優(yōu)劣，而網(wǎng)格自動(dòng)劃分的關(guān)鍵是合理給出自動(dòng)劃分信息，可以根據(jù)要求選用不同的網(wǎng)格劃分方法，也可以根據(jù)要求靈活地控制生產(chǎn)的單元數(shù)量以及網(wǎng)格的密度，從而提高求解精度。根據(jù)曳引機(jī)機(jī)座和端蓋的受力情況和幾何形狀，對(duì)于機(jī)座和端蓋兩部分有限元模型均采用了二階實(shí)體四面體單元網(wǎng)格，采用“基于曲率的網(wǎng)格”的

56、劃分方式，應(yīng)用網(wǎng)格控制，對(duì)必要的部分進(jìn)行網(wǎng)格加密，從而提高計(jì)算精度，同樣計(jì)算所需的時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)。其有限網(wǎng)格模型及相關(guān)信息分別如圖3.4和3.5所示：</p><p>　　圖3.4 機(jī)座及端蓋的有限元網(wǎng)格模型圖</p><p>　　圖3.5 機(jī)座的有限元網(wǎng)格控制加密模型圖</p><p>　　為模擬機(jī)座和端蓋之間實(shí)際的裝配和相互約束關(guān)系，對(duì)于曳引機(jī)機(jī)座和端蓋兩部件的

57、有限元模型，為了簡(jiǎn)化模型，在裝配接觸面上設(shè)定“結(jié)合”連接，裝配后的有限元模型如圖3.6所示：</p><p>　　圖3.6 機(jī)座和端蓋的裝配模型</p><p>　　3.3 載荷及邊界條件</p><p>　　3.3.1整體受力 </p><p>　　根據(jù)曳引輪受力狀況及曳引機(jī)整體結(jié)構(gòu)，推出在曳引機(jī)正常運(yùn)行中（此時(shí)忽略制動(dòng)器對(duì)結(jié)構(gòu)的約束作用

58、）整機(jī)受力狀況，按理想約束與加載，確立了簡(jiǎn)化的力學(xué)模型，如圖3.7和3.8 所示：</p><p>　　圖3.7 曳引輪受力示意圖</p><p>　　圖3.8 曳引機(jī)整機(jī)受力簡(jiǎn)化模型</p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　,</b></p><p

59、>　　根據(jù)實(shí)際載荷（轎廂按 125%額定載荷加載）及曳引機(jī)結(jié)構(gòu)知：當(dāng)轎廂平穩(wěn)</p><p>　　運(yùn)行時(shí)， ,,,,,</p><p><b>　　從而有：</b></p><p><b>　　,, ,,</b></p><p>　　當(dāng)電梯啟動(dòng)和停車(chē)過(guò)程中，轎廂有向下的加速度，考慮其產(chǎn)生的附

60、加慣性力，則：</p><p><b>　　,.</b></p><p><b>　　從而有:</b></p><p><b>　　, ,,</b></p><p><b>　　其余參數(shù)同上。</b></p><p>　　3.3.2

61、機(jī)座和端蓋的約束及受力</p><p>　　機(jī)座和端蓋的約束主要是機(jī)座下底面及底腳螺栓孔處受到的螺栓的約束和機(jī)座與端蓋裝配時(shí)的面面結(jié)合約束，載荷則主要來(lái)自于機(jī)座軸承和端蓋軸承處對(duì)應(yīng)于輪轂和軸所受約束的徑向反力，分別為和；及機(jī)座上定子鐵心裝配處用于約束定子鐵心的切向力矩為。</p><p>　　3.3.3有限元模型的加載和約束</p><p>　　根據(jù)上述受力狀況，對(duì)

62、于裝配后的曳引機(jī)支承部件（機(jī)座和端蓋）有限元模</p><p>　　型，在機(jī)座底腳螺栓孔處施加固定約束，在機(jī)座和端蓋連接處施加面面粘合或面面接觸約束。</p><p>　　有三組載荷施加于該裝配模型上：</p><p>　?。?）機(jī)座軸承裝配處相應(yīng)部位的軸承載荷分布力，對(duì)于電梯平穩(wěn)運(yùn)行和加速</p><p>　　運(yùn)行，均值分別為1.90 和1

63、.93。</p><p>　　（2）端蓋軸承裝配處相應(yīng)部位的軸承載荷分布力，對(duì)于電梯平穩(wěn)運(yùn)行和加速</p><p>　　運(yùn)行，均值分別為1.31 和1.33。</p><p>　?。?）機(jī)座定子鐵心裝配處沿圓周表面的切向面均布力，其值為和。</p><p>　　有限元模型的加載和約束情況如圖3.9所示:</p><p&g

64、t;　　圖3.9 有限元模型的約束和加載</p><p>　　3.4 應(yīng)力應(yīng)變及安全性能分析</p><p>　　3.4.1機(jī)座及端蓋采用QT400材料</p><p>　　對(duì)裝配的支撐部件的有限元模型，按相應(yīng)的材料常數(shù)及曳引機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行和加</p><p>　　速運(yùn)行兩種工況下的加載狀況，進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，得到其受力后的應(yīng)力、應(yīng)變、位移和安全

65、系數(shù)狀況。</p><p>　　本分析從計(jì)算結(jié)果中提取位移量和von Mises應(yīng)力進(jìn)行分析，從而評(píng)估其強(qiáng)度和剛度。</p><p>　　1機(jī)座及端蓋裝配體分析</p><p>　　1）平穩(wěn)工況下的位移分析</p><p>　　以下為曳引機(jī)受125%額定載荷平穩(wěn)運(yùn)行中機(jī)座和端蓋裝配模型的位移分布云圖。由圖3.10中可知，位移最大位置在機(jī)座頂部

66、前端，其值為7.274e-003 mm。</p><p>　　2）平穩(wěn)工況下的應(yīng)變分析</p><p>　　由圖3.11可知其受力后的變形狀況，應(yīng)變最大處在機(jī)座后地腳螺栓連接處。</p><p>　　圖3.10 機(jī)座及端蓋位移量分布云圖（曳引機(jī)125%載荷平穩(wěn)運(yùn)行，材料QT400）</p><p>　　圖3.11 機(jī)座及端蓋應(yīng)變情況（曳引機(jī)1

67、25%額定載荷平穩(wěn)運(yùn)行，材料QT400）</p><p>　　3）加速工況下的位移及應(yīng)變分析</p><p>　　曳引機(jī)受125%額定載荷以加速運(yùn)行中機(jī)座和端蓋裝配模型的位移、應(yīng)變分布云圖狀況如圖3.12和3.13所示。由圖中可知，位移最大的位置在機(jī)座頂前端，其值為1.047e-002mm，與平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的7.274-003 mm，相差30.5%。</p><p>　

68、　圖3.12機(jī)座及端蓋位移情況（曳引機(jī)125%額定載荷加速運(yùn)行，材料QT400）</p><p>　　圖3.13 機(jī)座及端蓋應(yīng)變情況（曳引機(jī)125%額定載荷加速運(yùn)行，材料QT400） </p><p>　　圖3.10和圖3.12為曳引機(jī)受125%額定載荷平穩(wěn)和加速運(yùn)行兩工況下端蓋的最大位移分布狀況，其中最大值分別為7.274e-003 和1.047-002mm。由圖 3.12可知，最大

69、值發(fā)生在機(jī)座頂前端。

70、 </p><p><b>　

71、　4） 應(yīng)力分析</b></p><p>　　曳引機(jī)受125%額定載荷平穩(wěn)運(yùn)行中機(jī)座和端蓋的von Mises應(yīng)力分布狀況如下圖3.14，其中最大值為6.976 。由圖可知，最大值發(fā)生在機(jī)座后地腳螺栓連接處。其余應(yīng)力水平較高區(qū)域如圖所示，發(fā)生在機(jī)座和端蓋軸承裝配前端處，約為4。</p><p>　　圖3.14 機(jī)座及端蓋von Mises應(yīng)力分布云圖（曳引機(jī)125%額定載荷平穩(wěn)

72、運(yùn)行，材料QT400）</p><p>　　圖3.15 機(jī)座及端蓋von Mises應(yīng)力分布云圖（曳引機(jī)125%額定載荷加速運(yùn)行，材料QT400）</p><p>　　曳引機(jī)受125%額定載荷以0.8 m/s2運(yùn)行中機(jī)座和端蓋的von Mises應(yīng)力分</p><p>　　布狀況，其中最大值為10.027 。由圖3.15可知，應(yīng)力最大值發(fā)生在機(jī)座后地腳螺栓連接處，其

73、余應(yīng)力水平較高區(qū)域如圖所示，主要分布在機(jī)座及端蓋軸承裝配處前端，這與曳引機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)情況7.01相差31%。</p><p><b>　　2端蓋分析</b></p><p><b>　　1）位移分析</b></p><p>　　圖3.16 端蓋位移分布云圖（曳引機(jī)125%額定載荷平穩(wěn)、加速運(yùn)行，材料QT400）</p

74、><p>　　由圖3.16可知，端蓋在平穩(wěn)運(yùn)行工況下，最小位移發(fā)生在端蓋與軸承裝配處；在加速運(yùn)行工況下，最小位移發(fā)生在端蓋邊緣，其最大位移值分別為3.925e-003mm和5.645e-003mm,兩者相差30.5%。</p><p><b>　　2）應(yīng)變分析</b></p><p>　　圖3.17端蓋應(yīng)變分布云圖（曳引機(jī)125%額定載荷平穩(wěn)、加速

75、運(yùn)行，材料QT400）</p><p>　　由圖3.17可知，端蓋的最大應(yīng)變處均在端蓋軸承配合面連接處。</p><p><b>　　3）應(yīng)力分析</b></p><p>　　圖3.18 端蓋應(yīng)力分布云圖（曳引機(jī)125%額定載荷平穩(wěn)、加速運(yùn)行，材料QT400）</p><p>　　圖3.18為曳引機(jī)受125%額定載荷平穩(wěn)

76、和加速運(yùn)行中端蓋的von Mises應(yīng)力分布狀況，其中最大值分別為4.124 和4.202。由下圖可知，最大值發(fā)生在端蓋軸承配合面連接處。其余應(yīng)力水平較高區(qū)域如圖所示，發(fā)生在加強(qiáng)筋與軸承配合的連接面處。</p><p>　　由圖3.17和圖3.18可知，端蓋的最小應(yīng)變、應(yīng)力均在端蓋與機(jī)座的螺栓連接處，與實(shí)際情況不相符合，因?yàn)檫@里是假定的螺栓連接位置，為了簡(jiǎn)化分析，本次分析在定義端蓋和機(jī)座連接關(guān)系時(shí)，以“結(jié)合”為連

77、接關(guān)系，因此這個(gè)部位的應(yīng)變、應(yīng)力是不真實(shí)的，這里需要對(duì)螺栓接頭進(jìn)行更加詳細(xì)的仿真。</p><p><b>　　3安全性能分析</b></p><p>　　圖3.20 機(jī)座及端蓋安全系數(shù)分布云圖（曳引機(jī)125%額定載荷平穩(wěn)、加速運(yùn)行，材料QT400）</p><p>　　圖3.21 端蓋安全系數(shù)分布云圖（曳引機(jī)125%額定載荷平穩(wěn)、加速運(yùn)行，材

78、料QT400）</p><p>　　由圖3.20和3.21可知，端蓋和機(jī)座的安全系數(shù)分布部位和其應(yīng)變、應(yīng)力的分布部位相符合。利用安全系數(shù)分布云圖，可以對(duì)零部件進(jìn)行優(yōu)化分析，節(jié)省材料，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。</p><p>　　考慮裝配模型中的兩部件均為最可能發(fā)生脆性斷裂的鑄鐵材料，本次安全系數(shù)分析從應(yīng)力計(jì)算結(jié)果中提取最大剪應(yīng)力進(jìn)行分析，從而評(píng)估其安全性能。</p><p>

79、　　3.4.2機(jī)座及端蓋采用HT300材料</p><p><b>　　1）位移分析</b></p><p>　　為了比較不同材料對(duì)機(jī)座和端蓋的強(qiáng)度，剛度等情況，這里采用HT300分析其靜力學(xué)性能的結(jié)果。</p><p>　　圖3.22為曳引機(jī)受125%額定載荷平穩(wěn)運(yùn)行中機(jī)座和端蓋裝配模型的位移分布云圖。由圖中可知，位移最大的位置在機(jī)座頂部前端

80、，其值為2.09e-002mm，在相同工況下，QT400的最大位移值為7.274e-003mm，兩者相差65%。</p><p>　　圖3.23為曳引機(jī)受125%額定載荷加速運(yùn)行中機(jī)座和端蓋裝配模型的位移分布云圖。由圖中可知，位移最大的位置在機(jī)座頂部前端，其值為3.002-002mm在相同工況下，QT400的最大位移值為1.047e-002mm，兩者相差65%。</p><p>　　圖3.

81、22 機(jī)座及端蓋位移量分布云圖（曳引機(jī)125%載荷平穩(wěn)運(yùn)行，材料HT300）</p><p>　　圖3.23 機(jī)座及端蓋位移量分布云圖（曳引機(jī)125%額定載荷加速運(yùn)行，材料HT300）</p><p><b>　　2） 應(yīng)力分析</b></p><p>　　曳引機(jī)受125%額定載荷加速運(yùn)行中機(jī)座和端蓋的von Mises應(yīng)力分布狀況如下圖3.2

82、4，其中最大值為10.187 。由圖可知，最大值發(fā)生在機(jī)座后地腳螺栓連接處。其余應(yīng)力水平較高區(qū)域如圖所示，主要分布在機(jī)座機(jī)座軸承裝配處前端，大小約 4。在相同工況下，QT400的最大應(yīng)力值為10.027，兩者相差1.5%。</p><p>　　圖3.24 機(jī)座及端蓋von Mises應(yīng)力分布云圖（曳引機(jī)125%額定載荷加速運(yùn)行，材料HT300）</p><p>　　曳引機(jī)端蓋在125%額定

83、載荷下平穩(wěn)和加速運(yùn)行時(shí)的位移云圖如下圖3.25，最大位移分別為1.127e-002mm和1.619-002mm。兩者相差30%。在相同工況下，QT400的最大位移值分別為3.925e-003mm和5.645e-003mm，兩者均相差65%。</p><p>　　圖3.25 端蓋位移量分布云圖（曳引機(jī)125%額定載荷平穩(wěn)和加速運(yùn)行，材料HT300）</p><p>　　圖3.26為曳引機(jī)受1

84、25%額定載荷平穩(wěn)和加速運(yùn)行中端蓋的von Mises應(yīng)力分布狀況，其中最大值分別為4.123 和4.204,在相同工況下QT400最大值分別為4.124 和4.202,兩者差別甚少。由下圖可知，最大值發(fā)生在端蓋與軸承裝配處，其余應(yīng)力水平較高區(qū)域如圖所示：</p><p>　　圖3.30 端蓋應(yīng)力分布云圖（曳引機(jī)125%額定載荷平穩(wěn)和加速運(yùn)行，材料HT300）</p><p>　　3.5

85、結(jié)構(gòu)靜力學(xué)結(jié)果分析</p><p>　　3.5.1機(jī)座及端蓋的強(qiáng)度、剛度分析以及不同工況對(duì)比</p><p>　　根據(jù)上述對(duì)機(jī)座和端蓋的應(yīng)力、應(yīng)變分析結(jié)果，可知兩部件在相應(yīng)的工況下均呈現(xiàn)了較低的應(yīng)力、應(yīng)變水平。根據(jù)相應(yīng)材料的力學(xué)性能，以及分析部件中的危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力狀況，應(yīng)用最大拉應(yīng)力強(qiáng)度理論，可對(duì)機(jī)座和端蓋進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估，結(jié)果如以表3.2和表3.3所示：</p><p>

86、　　表3.2 曳引機(jī)125%額定載荷平穩(wěn)運(yùn)行機(jī)座、端蓋強(qiáng)度校核</p><p>　　表3.3 曳引機(jī)125%額定載荷加速運(yùn)行機(jī)座、端蓋強(qiáng)度校核</p><p>　　其中工況安全因數(shù)為屈服強(qiáng)度除以最大剪應(yīng)力值，根據(jù)結(jié)果可知他們是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3的，（脆性材料，如鑄鐵 許用安全因數(shù)一般取2—6）滿足強(qiáng)度要求。</p><p>　　另外比較該型曳引機(jī)在平穩(wěn)運(yùn)行和加速運(yùn)行兩工況下

87、的Von Mises應(yīng)力，并且分別對(duì)端蓋計(jì)算得，兩工況下應(yīng)力和位移的差距均在3%以內(nèi)，而對(duì)于機(jī)座則相差比較大。</p><p>　　3.5.2兩種材料選配方案的比較</p><p>　　材料屬性是用有限元法分析部件靜力學(xué)，疲勞和模態(tài)分析至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，不同的材料將影響分析結(jié)果，而且材料使用會(huì)對(duì)產(chǎn)品造價(jià)成本影響很大。本文采用QT400和HT300兩種材料的對(duì)比，具體情況見(jiàn)表3.4：<

88、;/p><p>　　表3.4 機(jī)座和端蓋最Von Mises和最大位移比較圖</p><p>　　比較機(jī)座和端蓋兩部件在平穩(wěn)和加速運(yùn)行2工況下的最大主應(yīng)力和最大位移知，機(jī)座和端蓋的應(yīng)力分布狀況均差不多，應(yīng)力大小有明顯差異。不過(guò)位移變量影響比較大的，機(jī)座在平穩(wěn)和加速兩工況下的位移差距約為30%,而QT400和HT300的位移差距約65%；至于端蓋這差距約50%。</p><p

89、>　　第四章 結(jié)構(gòu)疲勞分析</p><p>　　4.1 疲勞分析基礎(chǔ)知識(shí)</p><p>　　4.1.1疲勞分析知識(shí)概述</p><p>　　強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命是對(duì)工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械使用的三個(gè)基本要求。觀察發(fā)現(xiàn)，如果物體經(jīng)常處于載荷不斷加載和卸載的變動(dòng)過(guò)程中，即使物體所承受的應(yīng)力在許可范圍之內(nèi)，也會(huì)遭到破壞，這種現(xiàn)象被稱為疲勞。根據(jù)應(yīng)力幅和預(yù)期導(dǎo)致破壞所需的循

90、壞次數(shù)，可以將疲勞分為高周疲勞和低周疲勞。應(yīng)力波動(dòng)的每一個(gè)周期都會(huì)或多或少的損壞物體。在循環(huán)一定數(shù)量的周期之后，物體會(huì)變得越來(lái)越“衰弱”，以致最終破壞，疲勞是許多物體破壞的主要原因，尤其是金屬物體。疲勞引起的破壞例子有：旋轉(zhuǎn)機(jī)械、螺栓、機(jī)翼、消費(fèi)品、海上平臺(tái)、艦船、車(chē)軸、橋梁、骨骼等。曳引機(jī)機(jī)座和端蓋作為支撐部件，在轉(zhuǎn)子的高循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)下將受到連續(xù)的轉(zhuǎn)矩和壓力載荷作用，有可能發(fā)生疲勞破壞。</p><p>　　影響零

91、件壽命的主要失效形式是腐蝕，磨損和疲勞。疲勞所導(dǎo)致的破壞分為三個(gè)階段：</p><p>　　階段1:材料中出現(xiàn)一處或多處裂紋。裂紋可能出現(xiàn)在材料的任何位置，但通常會(huì)出現(xiàn)在物體的邊界面上，因?yàn)檫@些位置存在更高的應(yīng)力波動(dòng)。裂紋的出現(xiàn)由很多因素引起，比如材料的精微結(jié)構(gòu)不完美，物體表面因?yàn)楣ぞ呋蛟谛遁d時(shí)被刮擦。</p><p>　　階段2:由于持續(xù)加載，導(dǎo)致部分或所有裂紋萌生。</p>

92、<p>　　階段3：設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的抵抗能力會(huì)不斷惡化，最終發(fā)生破壞。</p><p>　　由于模型的表面暴露在各種不同的環(huán)境中（濕氣等），通常也是應(yīng)力最高的部位，這些部位也是裂紋最容易形成并開(kāi)始擴(kuò)展的地方。因此加固表面以及提高表面質(zhì)量，可以提高模型的疲勞壽命。</p><p>　　疲勞壽命即零件由于循環(huán)加載而逐漸疲勞，導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷裂而破壞。在一給定任一循環(huán)特性

93、r的條件下，應(yīng)力經(jīng)過(guò)N次循環(huán)而材料不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力就是疲勞極限。當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)大于這個(gè)疲勞極限時(shí)，疲勞曲線σ—N曲線是水平的，也就是說(shuō)疲勞極限不會(huì)因?yàn)檠h(huán)次數(shù)增加而變化，疲勞壽命無(wú)限，反之，疲勞壽命是有限的。材料在不同的循環(huán)特性下疲勞極限是不一樣的，極限應(yīng)力圖可以反映這種線性關(guān)系?？紤]到強(qiáng)度要求和成本等眾多因素，曳引機(jī)機(jī)座和端蓋通常是選用鑄鐵材料生產(chǎn)，本文將采用HT300和QT400兩種材料來(lái)分析它們的結(jié)構(gòu)疲勞情況。</p

94、><p>　　疲勞計(jì)算是基于結(jié)構(gòu)裂紋損傷累積的原理，根據(jù)應(yīng)力-壽命（S-N）曲線圖或者應(yīng)變-壽命（E-N）曲線圖來(lái)估計(jì)該零件的疲勞壽命，計(jì)算過(guò)程中將輸入數(shù)據(jù)處理成峰頂或者峰谷，對(duì)循環(huán)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而計(jì)算出結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。結(jié)構(gòu)疲勞分析是一種工具，用于在各種簡(jiǎn)單的或復(fù)雜的加載條件（也稱為疲勞載荷循環(huán)）中評(píng)估設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度或者耐久性。通過(guò)軟件疲勞解算后，計(jì)算出損壞百分比、生命和載荷因子等結(jié)果參數(shù)，通過(guò)云圖，判斷其疲勞特性

95、。影響機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的主要因素有應(yīng)力集中，零件尺寸形狀，表面狀態(tài)和載荷作用等，用Solid Works2012有限元分析結(jié)果可以證明。</p><p>　　4.1.2關(guān)于Solid Works Simulation疲勞分析參數(shù)闡述</p><p>　　1基于應(yīng)力-壽命（S-N）的疲勞</p><p>　　疲勞計(jì)算要考慮的因素很多，因?yàn)樵陬A(yù)測(cè)其疲勞壽命時(shí)它是計(jì)算某個(gè)

96、部件的消耗是如何形成的，它是一個(gè)慢慢積累的過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，高周疲勞下結(jié)構(gòu)體在他們的壽命極限內(nèi)要經(jīng)歷各種載荷。經(jīng)歷的載荷類型也可能非常簡(jiǎn)單（最大/最小載荷的定義已經(jīng)完全明確），也可能是隨機(jī)的（描述起來(lái)相對(duì)復(fù)雜）。然而即使是某些隨機(jī)載荷，其展示的屬性也可以視為確定載荷。通常載荷可以分為兩類：等幅載荷和變幅載荷。</p><p>　　1）等幅載荷：等幅的應(yīng)力循壞具有相同的交替應(yīng)力、平均應(yīng)力、應(yīng)力比率及周期數(shù)這4個(gè)參數(shù)完

97、全定義。如下圖4.10所示：</p><p>　　圖4.10 等幅載荷</p><p>　　S min和S max分別代表一個(gè)應(yīng)力周期中的最小及最大的應(yīng)力值。</p><p>　　S alt為交替的應(yīng)力幅。</p><p>　　S mean為平均應(yīng)力，S mean=（S min +S max）/2。平均應(yīng)力的大小對(duì)結(jié)構(gòu)體抗疲勞能力具有顯著影響

98、。</p><p>　　應(yīng)力比率R=S min/S max,如下圖4.11所示，左圖為R基于零的情況，右圖為對(duì)稱循環(huán)的情況。</p><p>　　圖4.11 平均應(yīng)力與應(yīng)力比率</p><p>　　在等幅載荷的例子中，時(shí)間概念無(wú)關(guān)緊要，也就是說(shuō)，也就是說(shuō)只有具有上述的特征的周期才是重要的。</p><p>　　變幅載荷：變幅疲勞事件是一個(gè)載荷

99、歷史記錄，定義了載荷的歷史波動(dòng)。對(duì)疲勞分析中的單個(gè)變幅時(shí)間而言，時(shí)間的大小沒(méi)有任何意義，在關(guān)聯(lián)幾個(gè)載荷事件時(shí)，才可能會(huì)用到時(shí)間。</p><p><b>　　2疲勞術(shù)語(yǔ)</b></p><p>　　1）S-N曲線：高周期疲勞對(duì)應(yīng)的材料屬性由交替應(yīng)力（Salt)和失效的周期數(shù)（N)的相互關(guān)系構(gòu)成。典型的S-N曲線如下圖4.12所示：</p><p&g

100、t;　　圖4.12 S-N曲線</p><p>　　2）疲勞強(qiáng)度:在給定周期下，疲勞失效發(fā)生時(shí)的應(yīng)力。</p><p>　　3）承受極限:當(dāng)交替應(yīng)力變得更小時(shí)，材料能夠在由于疲勞而失效之前承受更多的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。承受極限即不發(fā)生疲勞失效時(shí)對(duì)應(yīng)的最高交替應(yīng)力。換而言之，如果交替應(yīng)力等于或小于承受極限，導(dǎo)致失效的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)就會(huì)變得非常大（可以認(rèn)為是無(wú)窮大）。承受極限通常定義為對(duì)稱循環(huán)的交替

101、應(yīng)力。承受極限也稱為疲勞極限。某些金屬?zèng)]有一個(gè)可以測(cè)量的承受極限。</p><p>　　注意S-N曲線的數(shù)據(jù)都是分散的，特別在高周期的情況下?；谶@個(gè)原因，大多數(shù)設(shè)計(jì)手冊(cè)都建議采用一個(gè)可靠系數(shù)0.52，這降低了疲勞強(qiáng)度。</p><p>　　4）S-N數(shù)據(jù)曲線的可靠性</p><p>　　因?yàn)槠谟?jì)算的結(jié)果與S-N曲線直接相關(guān)，因此S-N曲線數(shù)據(jù)的重要性不言而喻。&

102、lt;/p><p>　　準(zhǔn)確的數(shù)值可以通過(guò)實(shí)際產(chǎn)品（或具有相同類型及材料的典型產(chǎn)品）的疲勞測(cè)試來(lái)獲取。因此這在大多數(shù)情況下是不可行的，所以必須使用在、各種出版發(fā)行的手冊(cè)提供的S-N曲線。大多數(shù)情況下，曲線是由單軸對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力周期的疲勞測(cè)試中獲取的。如果存在不同平均應(yīng)力比率的曲線，則推薦使用平均應(yīng)力糾正算法來(lái)處理他們。</p><p>　　5）S-N曲線的定義方法</p><

103、p>　　S-N曲線插值 S-N曲線的數(shù)據(jù)插值有一下3種方法：</p><p>　　雙對(duì)數(shù)：對(duì)循環(huán)數(shù)和交替應(yīng)力采用對(duì)數(shù)內(nèi)插法（底數(shù)為10）。當(dāng)定義一條S-N曲線時(shí)，如果兩個(gè)軸上只有較小數(shù)點(diǎn)且分散性大時(shí)（循環(huán)數(shù)和交替應(yīng)力），采用這個(gè)選項(xiàng)。</p><p>　　半對(duì)數(shù) 對(duì)應(yīng)力采用線性插值，二對(duì)循環(huán)次數(shù)采用對(duì)數(shù)插值法。當(dāng)定義一條S-N曲線時(shí)，如果兩個(gè)軸上只有較少數(shù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)且分散性較大時(shí)（循環(huán)

104、數(shù)和交替應(yīng)力），也采用這個(gè)選項(xiàng)。</p><p>　　線性：對(duì)循環(huán)數(shù)和交替應(yīng)力都、采用線性插值法。當(dāng)定義一條S-N曲線時(shí)，如果有大量數(shù)據(jù)點(diǎn)存在，且在任一方向分散性不大時(shí)，采用這一選項(xiàng)。</p><p>　　如上2）、3）、4）、5）所述，經(jīng)查閱相關(guān)資料，本次設(shè)計(jì)采用如下圖所示的S-N曲線數(shù)據(jù)：</p><p>　　表4.13 QT400指定存活率的疲勞極限數(shù)據(jù)&l

105、t;/p><p>　　表4.14 HT300指定存活率的疲勞極限數(shù)據(jù)</p><p><b>　　備注：</b></p><p><b>　　應(yīng)力——</b></p><p>　　疲勞壽命——x10^3 </p><p><b>　　存活率——% </b>&

106、lt;/p><p>　　圖4.15 HT300 P-S-N曲線圖</p><p>　　圖4.16 QT400-18 P-S-N曲線圖</p><p>　　6）交替應(yīng)力的計(jì)算 </p><p>　　交替應(yīng)力Salt的定義為Salt=（S max-S min)/2。然而這并不所需要的，它的應(yīng)力分量才適用于計(jì)算。在Solid Works Simul

107、ation中提供如下選項(xiàng)：</p><p>　?、?應(yīng)力強(qiáng)度（P1-P3)，等于材料指定點(diǎn)處最大剪切應(yīng)力數(shù)值的兩倍;</p><p>　?、?von Miss應(yīng)力;</p><p>　　⑶ 最大主應(yīng)力P1。</p><p>　　QT400-18和HT300都屬于脆性材料，所以本次設(shè)計(jì)分析采用最大主應(yīng)力P1進(jìn)行交替應(yīng)力計(jì)算。</

108、p><p>　　7）平均應(yīng)力影響 因?yàn)槟Ｐ椭懈鱾€(gè)部位的應(yīng)力水平是不同的，所以模型中S max、S min以及S mean的值也是變化的。材料每個(gè)點(diǎn)都會(huì)承受不同的平均應(yīng)力大小。由于平均應(yīng)力對(duì)抗疲勞能力有很大影響，允許采用不同的應(yīng)力比（R），并為材料輸入10種S-N曲線。通常，只有對(duì)稱循環(huán)（R)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到。平均應(yīng)力的影響可以用Goodman、Gerber和Soderbergecause平均應(yīng)力糾正算法來(lái)近

109、似計(jì)算。</p><p><b>　　8）平均應(yīng)力糾正 </b></p><p>　　對(duì)每種材料類型的各種應(yīng)力比率來(lái)說(shuō)，平均應(yīng)力的影響最好通過(guò)輸入各自的Salt來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)檫@些都不具有通用性，所以產(chǎn)生了多個(gè)理論：</p><p>　?、?Gerber-實(shí)驗(yàn)顯示適用于韌性材料。</p><p>　?、?Goodm

110、an-推薦用于脆性材料。</p><p>　?、?Soderberg-拉應(yīng)力狀態(tài)下的屈服強(qiáng)度準(zhǔn)則。 </p><p>　　如圖4.17顯示了3種標(biāo)準(zhǔn)的影響。</p><p>　　圖4.17 不同的應(yīng)力修正法</p><p>　　橫軸顯示了平均應(yīng)力S mean與以上材料最大拉伸強(qiáng)度S ultimate比值的大小，縱軸顯示了不同平均應(yīng)力水平時(shí)材料

111、的疲勞強(qiáng)度與對(duì)稱循環(huán)（R=-1）S-N曲線得到的材料疲勞強(qiáng)度的比值。</p><p>　　圖（除Gerber)也從實(shí)驗(yàn)上證明了：當(dāng)平均應(yīng)力S mean為壓力時(shí)，材料的疲勞強(qiáng)大也隨之增長(zhǎng)。</p><p>　　基于7）、8）所述原因，本次設(shè)計(jì)采用Goodman理論進(jìn)行計(jì)算分析。</p><p><b>　　線性疲勞判斷準(zhǔn)則：</b></p&

112、gt;<p>　?、?損壞百分比，即結(jié)構(gòu)消耗生命的比例；損壞百分比必須小于100%，否則疲勞失效；</p><p>　?、?生命周期，結(jié)構(gòu)運(yùn)行周期的總次數(shù)；</p><p>　?、?載荷因子，是一個(gè)特征值，該特征值乘以施加的載荷，即可得到臨界壓力。載荷因子必須大于1，否則疲勞失效。</p><p>　　4.1.3疲勞分析操作流程</p>