某型振动输送机焊点疲劳特性分析与分布优化研究

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振动输送机上的焊点接头在工作中承受交变载荷的作用,存在发生高周疲劳破坏的风险,从而威胁设备的安全运行,而不合理的焊点分布又时常造成焊点疲劳强度不足或焊点冗余问题。为了解决焊点分布不合理问题,需要研究振动输送机上焊点的疲劳特性,并建立一条综合不同板厚组合和载荷比的304不锈钢焊点归一化S-N曲线(应力-寿命曲线),从而较准确地预测焊点寿命,最终获取焊点的最优分布以指导设计。为此,本文开展了以下工作:通过建立该型振动输送机有限元模型并进行瞬态动力学分析,获取设备在工作过程中的动态特性。对各关键位置的应力时间历程曲线进行分析,结果显示设备主体结构无强度和疲劳问题,并对振槽焊点接头进行初步疲劳寿命预测。对实体设备进行动应变采集试验,发现仿真和试验的应力结果在误差允许范围内,验证了模型的准确性。制备包含不同板厚组合、焊点直径和载荷比的多组304不锈钢点焊试件,进行单点拉剪疲劳试验获取焊点的疲劳寿命数据,建立F-N曲线(载荷-寿命曲线)。发现疲劳寿命与板厚成正比,与载荷比成反比。观察试件的裂纹形式,研究其疲劳断裂机理。使用壳单元和梁单元组合的方式建立点焊试件有限元模型,利用应变测量试验验证其有效性。提取有限元仿真结果中焊点的节点力和弯矩,使用Rupp等效结构应力法计算焊点的等结构应力,结合疲劳试验数据建立S-N曲线。使用Goodman平均应力修正方法对所建的S-N曲线进行修正,消除载荷比对曲线的影响,提高曲线的精度,从而使建立的归一化S-N曲线可普遍适用于工程实际中。利用所建的304不锈钢焊点归一化S-N曲线,并基于瞬态动力学分析结果,对振槽焊点进行较准确的疲劳寿命预测,发现焊点无疲劳寿命问题。提出一种针对振槽等单摆运动构件的简化等效静态载荷法,将瞬态模型转换为等效静态模型,减少优化过程的计算量。使用多约束的拓扑优化方法对振槽焊点的分布情况进行优化,在保证焊点疲劳寿命和其它多种因素达标的前提下,使焊点数量大幅减少27.78%。优化取得显著效果,对该型振动输送机焊点的设计提供了指导。
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