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1、
軸重搖枕的受力分析
機制B095班 *** ***********
摘 要：介紹了疲勞分析的理論基礎和疲勞強度評定方法，利用ANYSYS9.0軟件，建立了軸重搖枕的有限元模型，對其進行了受力評定。
關鍵詞：搖枕；疲勞強度
1、概述
隨著貨車車輛向高速、重載和輕量化方向的迅速發(fā)展，其疲勞強度及可靠性的要求也越來越高。搖枕作為鐵路貨車轉向架主要承載部件之一，在使用過程中承受著巨大的拉、壓、沖擊、彎曲等交變載荷作用，工況十分惡劣。其主要失效形式是疲勞破壞，搖枕的疲勞裂紋失效問題已成為影響貨車發(fā)展的重要因素。實踐證明，目前采用傳統(tǒng)強度設計方法的機車車輛結構，在使用中暴露出
2、不少疲勞損傷方面的問題，雖然其成因較為復雜，但在設計階段對關鍵結構部件的疲勞壽命預測研究不足卻是重要的原因之一。本文旨在產(chǎn)品設計階段就考慮零部件疲勞壽命問題，在滿足產(chǎn)品各項性能要求的同時，又具有較合適的疲勞使用壽命，最終完成產(chǎn)品的設計。
2、應力分析的理論基礎
目前廣泛使用的分析方法有：名義應力法、局部應力應變法、斷裂力學方法和概率斷裂力學方法等。其中名義應力法作為一種常規(guī)有效的壽命估算方法，是目前工程中廣為應用的一種高周疲勞壽命估算方法。
2.1載荷類型
疲勞載荷一般有穩(wěn)定循環(huán)變應力和非穩(wěn)定性循環(huán)變應力２種。穩(wěn)定循環(huán)分為對稱循環(huán)、脈動循環(huán)和非對稱循環(huán)；非穩(wěn)定性循環(huán)分為規(guī)律性非穩(wěn)定循
3、環(huán)和隨機性的非穩(wěn)定循環(huán)。對于隨機性的非穩(wěn)定循環(huán)變應力，則運用雨流計數(shù)法獲得應力－時間歷程的雨流循環(huán)，進而獲得分析所需要的疲勞應力譜。疲勞載荷的類型見圖１。在疲勞載荷的描述中，經(jīng)常使用應力幅和應力范圍 的概念，并用最小應力與最大應力的比值Ｒ來描述循環(huán)應力的不對稱程度。定義如下：
（1）
（2）
（3）
（4）
圖1 疲勞載荷的類型
循環(huán)應力中的靜載分量通常稱為平均應力，用σｍ表示。應力幅σａ反映了交變應力在一個應力循環(huán)中變化大小的程度，它是使金屬構件發(fā)生疲勞
4、破壞的根本原因。平均應力對構件的疲勞強度有一定的影響。壓縮平均應力往往可以提高構件的疲勞強度，而拉伸平均應力往往會降低構件的疲勞強度。
2.2材料的曲線
Ｓ－Ｎ曲線就是材料所承受的應力幅水平與該應力幅下發(fā)生疲勞破壞時所經(jīng)歷的應力循環(huán)次數(shù)的關系曲線。如圖２所示，縱坐標表示試樣承受的應力幅σ，橫坐標表示應力循環(huán)次數(shù)，曲線中的水平直線部分對應的應力水平就是材料的疲勞極限。對鋼鐵材料，此“無限”的定義一般為次應力循環(huán)。疲勞極限是材料抗疲勞能力的重要性能指標，也是進行疲勞強度的無限壽命設計的主要依據(jù)。
疲勞極限是長壽命機械和結構抗疲勞設計的基本數(shù)據(jù)但試驗測定疲勞極限是十分耗資費力的。因此研究者試圖
5、通過材料的靜力性能來估計疲勞極限。目前，已有一些建立在試驗 數(shù)據(jù)基礎上的經(jīng)驗關系式它們大多是在應力比Ｒ＝－１時的疲勞極限的表達式。
對于材料的抗拉強度鋼，時，。
3、搖枕的應力分析
3.1 用Pro/E建立模型，然后導入ANSYS，所得結果如下圖所示：
3.2 對模型進行網(wǎng)格化，所得結果如下圖所示：
3.3有限元離散模型的建立
取整個搖枕結構進行有限元建模分析，在搖枕兩端側支承處施加垂向約束，八字面上施加橫向約束，以模擬其支承情況。模型統(tǒng)計數(shù)據(jù)列于表２。
表2
單元類型
Solid 45
單元數(shù)／個
8230
結點數(shù)／個
5564
3.4 將網(wǎng)格化的模型進行加載，可以得到如下所示的結果。
3.5 最終的有限元應力分析結果如下：
4.結束語
以軸重搖枕為研究對象，采用軟件仿真和理論計算相結合的手段，研究探索了搖枕的疲勞問題。主要研究了搖枕在典型載荷工況下的有限元應力計算結果，不僅實現(xiàn)了搖枕結構的合理設計，同時又對科學地制定管理方法，避免搖枕斷裂事故的發(fā)生具有重要的指導意義。
5.參考資料
【1】材料力學 劉鴻文 高等教育出版社
【2】有限元基礎理論與ANSYS11.0應用 管殿柱主編 機械工業(yè)出版社
學生作業(yè) 軸重搖枕的受力分析
