大型隔膜泵(功率300 kW-2000 kW)是固液兩相介質輸送的關鍵設備，主要用于大型石化、煤化工、冶金及建材等領域。該產品具有效率高、運行可靠和成本低等優點，有利于節約能源和環境保護，市場前景非常廣闊。
      大型隔膜泵曲軸承受著輸送液體壓力及往復和旋轉質量慣性力引起的周期性變化的載荷，并受到輸入轉矩的作用而產生扭轉振動。所以，曲軸的強度以及壽命有限元分析是大型隔膜泵壽命的關鍵技術之一。曲軸過渡圓角處有嚴重的應力集中，其材料內部的的夾渣、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，必須用斷裂力學的方法研究曲軸裂紋的擴展規律，首要工作是正確計算應力強度因子。
      當前已有許多方法可用來計算應力強度因子，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、權函數法和線彈簧模型。利用這些方法大量的應力強度因子解已經獲得，已出版的應力強度手冊中收編了許多典型應力強度因子的解。
      目前，無裂紋曲軸應力有限元分析己有不少工作。但對于含裂紋曲軸的分析才剛剛開始，在斷裂力學實驗基礎上，研究內燃機車鑰銅合金球墨鑄鐵曲軸的一次性脆斷問題。對帶裂紋曲軸疲勞強度計算方法進行研究。對鍛鋼曲軸的I型裂紋應力強度因子進行有限元計算，但裂紋深度僅為2 mm-3 mm，給出的擬合公式也難以應用。對含裂紋柴油機曲軸進行應力強度因子計算，計算曲軸的應力及在不同裂紋深度下的應力強度因子，最后給出應力強度因子的擬合公式。Blackburn和Hellen計算幾種結構上裂紋的二維與三維應力強度因子。Patterson論述有限元法在計算應力強度因子時的應用。Kong提出三軸應力的影響并將之應用于斷裂判據中。Ukadgaonker考慮第I.II應力張量不變量，提出新的斷裂準則。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，需要計算該類曲軸含有不同尺寸三維裂紋時的應力強度因子。
      在進行裂紋分析時，應力強度因子是一個重要的指標。構件中的裂紋可以抽象成三維模型。
      采用由上至下的實體建模的方法，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，并計算應力強度因子。假設曲軸三拐曲臂左側存在夾渣，其裂紋面為半橢圓形，長半軸a=4 mm，短半軸h=3.3 mm。同時定義裂尖節點編號，該裂尖共計5個點，5點的依次順序。其中，2點和4點、3點和5點的坐標完全相同，整個過程使用Ansys的APDL命令流實現，通過后處理得到應力強度因子124.75 MPa、Ku=53.325 MPa和16.429 MPa。
      在曲軸循環一周強度分析的基礎上，假設曲軸各截面應力最大方向上存在裂紋，同時假設所有截面上的裂紋長10 mm、深5 mm。在曲軸各個截面的子模型最大應力處建立含三維裂紋的模型，對含三維裂紋曲軸各個截面在12種工況下分別進行分析，從而評價各個截面存在裂紋時的危險等級。
      用各截面的最大應力強度因子得到的曲軸各截面最危險工況裂紋不擴展的安全系數曲線的結果可知，存在同樣大小裂紋的情況下，支撐部位的不擴展安全系數高于其他各個截面。在12個危險截面中，危險程度排序為E>E'>D>E">F>C">B>C>C>‘>A>H。
      對于復雜的三維問題的斷裂分析，數值方法是一種切實有效的途徑，本研究在闡述有限元分析理論的基礎上，重點從斷裂力學方面對曲軸裂紋進行有限元分析。通過對曲軸裂紋的斷裂力學有限元分析，可以判斷含裂紋的曲軸應力強度因子，從而判斷裂紋是否擴展，同時為生產過程中的探傷等工藝提供參考。從中得到以下結論：
      1)對于計算的曲軸而言，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，而允許出現缺陷的位置以及缺陷的尺寸，還需根據曲軸的有限元計算結果以及曲軸的斷裂力學分析結果確定。
      2)提供的是假設裂紋的計算方法和過程，在實際工程中，可根據曲軸表面探測的位置以及探測出的缺陷長度，用本文方法進行分析研究。
      3) Ansys軟件的裂紋生成宏命令可以很大程度地減少工作，降低出錯率。

                                                                                  專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
                                                                                                                                                      杭州那泰科技有限公司
                                                                              本文出自杭州那泰科技有限公司m.yw15777.cn，轉載請注明出處和相關鏈接！