精锻机锻锤疲劳裂纹分析与寿命预测

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锻锤作为精锻机核心部件,锤头性能的优劣直接决定了动力设备的运行性能、作业效率和使用寿命。锻锤在高频次冲击载荷和热负荷的服役条件下极易产生疲劳裂纹。为延长锻锤服役寿命,本文针对复杂工况导致的锻锤疲劳裂纹问
锻锤作为精锻机核心部件,锤头性能的优劣直接决定了动力设备的运行性能、作业效率和使用寿命。锻锤在高频次冲击载荷和热负荷的服役条件下极易产生疲劳裂纹。为延长锻锤服役寿命,本文针对复杂工况导致的锻锤疲劳裂纹问题,首先研究了多因素作用下的裂纹扩展规律,其次构建了疲劳寿命的预测模型。主要包括以下内容:(1)为寻找锻锤表面疲劳裂纹萌生位置,构建了热力耦合损伤模型,分析了锻锤在循环冲击载荷、温度场作用下的应力和应变分布特征。针对循环载荷和温度场的易变性,研究了不同工艺条件下的锻锤塑性区域特征,根据温度场和应力应变场的分析结果,确定了锻锤的裂纹萌生区域。(2)应力强度因子是裂纹扩展分析及寿命预测的基础,传统求解方法无法分离混合裂纹的应力强度因子类型,并且往往忽略应力强度因子波动特性,本文采用交互作用能量积分方法,引入辅助应力场分离出裂纹的各型应力强度因子,确定了锻锤表面主要是(40)型张开型裂纹。构建裂纹长度、深度、温度场梯度以及应力应变的耦合模型,得到应力强度因子分布特性。分析了不同损伤模式、裂纹尺寸和约束条件下的应力强度因子,得到应力强度因子随裂纹深度、温度场的变化规律。由应力强度因子的分布特性和变化规律可知:小裂纹裂尖处应力应变显著大于长裂纹,小裂纹比长裂纹更容易发生裂纹扩展;在锻锤耐磨层高应力区,裂尖的应力强度因子随裂纹深度的增加而增加,达到锻锤材料的临界断裂韧度后,裂纹发生失稳扩展。结合锻锤实际失效数据,验证了分析模型的准确性。(3)首先从载荷比、门槛值、温度场、断裂韧度等方面系统分析了影响锻锤疲劳裂纹扩展行为的主要机制,引入含门槛值ΔKth的修正Paris理论,修正了锻锤的裂纹扩展门槛值和临界裂纹尺寸。考虑尺寸效应对裂纹扩展的影响,基于修正的Walker表达式建立了疲劳裂纹剩余寿命预测模型,利用数值模拟验证了模型的准确性;最后采用正交试验法分析了载荷比、载荷幅值、平均载荷和温度幅值对疲劳寿命的影响规律。结果显示在0≤R≤0.5载荷比区间内,平均载荷对锻锤疲劳寿命的影响大于载荷幅值;降低载荷幅值和平均载荷有利于提高锻锤的疲劳寿命;低温可以降低材料的裂纹扩展速率,抑制裂纹扩展,延长锻锤寿命。
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