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大型隔膜泵(功率300 kW-2000 kW)是固液兩相介質(zhì)輸送的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于大型石化、煤化工、冶金及建材等領(lǐng)域。該產(chǎn)品具有效率高、運(yùn)行可靠和成本低等優(yōu)點(diǎn)，有利于節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)，市場(chǎng)前景非常廣闊。
大型隔膜泵曲軸承受著輸送液體壓力及往復(fù)和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量慣性力引起的周期性變化的載荷，并受到輸入轉(zhuǎn)矩的作用而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。所以，曲軸的強(qiáng)度以及壽命有限元分析是大型隔膜泵壽命的關(guān)鍵技術(shù)之一。曲軸過渡圓角處有嚴(yán)重的應(yīng)力集中，其材料內(nèi)部的的夾渣、氣孔、加工中引起的刀痕等缺陷都是可以引起疲勞斷裂的缺陷。因此，必須用斷裂力學(xué)的方法研究曲軸裂紋的擴(kuò)展規(guī)律，首要工作是正確計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子。
當(dāng)前已有許多方法可用來計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子，較為典型的有解析法、邊界配位法、有限單元法、邊界元素法、體力法、權(quán)函數(shù)法和線彈簧模型。利用這些方法大量的應(yīng)力強(qiáng)度因子解已經(jīng)獲得，已出版的應(yīng)力強(qiáng)度手冊(cè)中收編了許多典型應(yīng)力強(qiáng)度因子的解。
目前，無裂紋曲軸應(yīng)力有限元分析己有不少工作。但對(duì)于含裂紋曲軸的分析才剛剛開始，在斷裂力學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，研究內(nèi)燃機(jī)車鑰銅合金球墨鑄鐵曲軸的一次性脆斷問題。對(duì)帶裂紋曲軸疲勞強(qiáng)度計(jì)算方法進(jìn)行研究。對(duì)鍛鋼曲軸的I型裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行有限元計(jì)算，但裂紋深度僅為2 mm-3 mm，給出的擬合公式也難以應(yīng)用。對(duì)含裂紋柴油機(jī)曲軸進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算，計(jì)算曲軸的應(yīng)力及在不同裂紋深度下的應(yīng)力強(qiáng)度因子，最后給出應(yīng)力強(qiáng)度因子的擬合公式。Blackburn和Hellen計(jì)算幾種結(jié)構(gòu)上裂紋的二維與三維應(yīng)力強(qiáng)度因子。Patterson論述有限元法在計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)的應(yīng)用。Kong提出三軸應(yīng)力的影響并將之應(yīng)用于斷裂判據(jù)中。Ukadgaonker考慮第I.II應(yīng)力張量不變量，提出新的斷裂準(zhǔn)則。但是大型隔膜泵曲軸屬于低速、重載的曲軸，活塞推力在5xe5N-1.2xe6N范圍，需要計(jì)算該類曲軸含有不同尺寸三維裂紋時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度因子。
在進(jìn)行裂紋分析時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子是一個(gè)重要的指標(biāo)。構(gòu)件中的裂紋可以抽象成三維模型。
采用由上至下的實(shí)體建模的方法，在曲軸的子模型上用Ansys軟件的建模功能建立含三維裂紋的曲軸模型，并計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子。假設(shè)曲軸三拐曲臂左側(cè)存在夾渣，其裂紋面為半橢圓形，長半軸a=4 mm，短半軸h=3.3 mm。同時(shí)定義裂尖節(jié)點(diǎn)編號(hào)，該裂尖共計(jì)5個(gè)點(diǎn)，5點(diǎn)的依次順序。其中，2點(diǎn)和4點(diǎn)、3點(diǎn)和5點(diǎn)的坐標(biāo)完全相同，整個(gè)過程使用Ansys的APDL命令流實(shí)現(xiàn)，通過后處理得到應(yīng)力強(qiáng)度因子124.75 MPa、Ku=53.325 MPa和16.429 MPa。
在曲軸循環(huán)一周強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上，假設(shè)曲軸各截面應(yīng)力最大方向上存在裂紋，同時(shí)假設(shè)所有截面上的裂紋長10 mm、深5 mm。在曲軸各個(gè)截面的子模型最大應(yīng)力處建立含三維裂紋的模型，對(duì)含三維裂紋曲軸各個(gè)截面在12種工況下分別進(jìn)行分析，從而評(píng)價(jià)各個(gè)截面存在裂紋時(shí)的危險(xiǎn)等級(jí)。
用各截面的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子得到的曲軸各截面最危險(xiǎn)工況裂紋不擴(kuò)展的安全系數(shù)曲線的結(jié)果可知，存在同樣大小裂紋的情況下，支撐部位的不擴(kuò)展安全系數(shù)高于其他各個(gè)截面。在12個(gè)危險(xiǎn)截面中，危險(xiǎn)程度排序?yàn)镋>E'>D>E">F>C">B>C>C>‘>A>H。
對(duì)于復(fù)雜的三維問題的斷裂分析，數(shù)值方法是一種切實(shí)有效的途徑，本研究在闡述有限元分析理論的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)從斷裂力學(xué)方面對(duì)曲軸裂紋進(jìn)行有限元分析。通過對(duì)曲軸裂紋的斷裂力學(xué)有限元分析，可以判斷含裂紋的曲軸應(yīng)力強(qiáng)度因子，從而判斷裂紋是否擴(kuò)展，同時(shí)為生產(chǎn)過程中的探傷等工藝提供參考。從中得到以下結(jié)論：
1)對(duì)于計(jì)算的曲軸而言，并不是說曲軸表面不能有裂紋(缺陷)的存在，在一定程度上，曲軸表面的某些位置可以存在一定的缺陷，而允許出現(xiàn)缺陷的位置以及缺陷的尺寸，還需根據(jù)曲軸的有限元計(jì)算結(jié)果以及曲軸的斷裂力學(xué)分析結(jié)果確定。
2)提供的是假設(shè)裂紋的計(jì)算方法和過程，在實(shí)際工程中，可根據(jù)曲軸表面探測(cè)的位置以及探測(cè)出的缺陷長度，用本文方法進(jìn)行分析研究。
3) Ansys軟件的裂紋生成宏命令可以很大程度地減少工作，降低出錯(cuò)率。
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