基于弹塑性有限元法的冷挤压模具应变法疲劳寿命分析
内齿轮冷挤压参数优化设计及模具寿命预测(精)
内齿轮冷挤压参数优化设计及模具寿命预测【摘要】将正交试验设计方法和冷挤压数值模拟方法相结合，评估了冷挤压过程中参数：凹模锥角、摩擦系数和挤压速度对成形力的影响，并确定最优的工艺参数组合。
以汽车减速轴为例，分组建立了冷挤压件和模具的有限元模型，运用正交试验方法进行分组仿真分析，通过对轴向挤压力数据的方差分析，确定最优的工艺参数组合，并根据优化后的参数，对模具的寿命进行预测。
试验方法对实际工艺设计具有指导意义。
【关键词】冷挤压工艺参数，数值模拟，正交试验，寿命预测Optimization For Cold Extrusion Parameters Of Inner GearAnd Die’s Life PredictionAbstract: combining the orthogonal experiment with cold extrusion simulation, the parameters of the cold extrusion process, such as hail-cone-angle of the bottle die, friction coefficient and punch speed, were generally studied and the load on the dies was evaluated. Then the optimization of the parameters were obtained. Taking an automobile shaft as an example, the FEA models were built, and the orthogonal experiment was conducted to make plans for simulation. With the statistical analysis of the variance on Z load, the optimization of parameters were obtained, and the life of mold was predicted, which could provide guidance in the producing design.Key words: cold extrusion processing parameters, numerical simulation, orthogonal experiment,life prediction1 引言汽车起动机减速轴是起动机的重要零部件之一，在汽车起动时起传递转矩和力的作用。
基于有限元法的结构疲劳寿命
基于有限元法的结构疲劳寿命疲劳失效是结构工程中常见的问题之一。
在长时间的运行过程中，材料内部会受到反复载荷作用，导致微小的损伤和裂纹的产生。
这些裂纹在应力集中区域逐渐扩展，最终导致结构的疲劳失效。
为了预测结构的疲劳寿命，从而保证结构的安全可靠性，工程师们采用了各种方法和技术。
其中，有限元法被广泛应用于疲劳分析和寿命预测，它可以通过模拟结构在实际工作载荷下的变形和应力分布，来估计结构的疲劳寿命。
1. 有限元法简介有限元法是一种数值计算方法，它将结构划分为有限数量的子域，称为有限元，然后通过数学模型和物理方程来描述每个有限元的行为。
这些有限元之间的连接形成了整个结构的模型，可以进行应力、应变和振动分析。
在疲劳分析中，有限元法可以用来模拟结构在不同载荷下的变形和破坏情况，进而预测其疲劳寿命。
2. 有限元法在疲劳分析中的应用2.1 确定结构的荷载历程在进行疲劳分析之前，首先需要确定结构在使用寿命内的载荷历程。
这可以通过实测数据、实验或理论计算等方式获取。
有限元法可以将这些载荷历程加载到结构模型中，模拟结构在实际使用条件下的应力和应变分布。
2.2 建立疲劳损伤模型疲劳寿命是指结构在反复载荷作用下可承受的最大循环次数。
为了建立疲劳损伤模型，需要将材料的疲劳性能曲线和应力集中系数考虑进去。
有限元法可以通过将结构分割成许多小的子域，来模拟不同载荷下的应力和应变集中情况，进而计算出结构的疲劳寿命。
2.3 进行寿命预测有限元法可以帮助工程师们确定结构在特定工况下的疲劳寿命，并做出维修、更换或加固决策。
通过对结构的数值模拟和分析，可以预测材料在实际使用过程中的疲劳寿命，从而及时采取相应的措施，保证结构的安全可靠性。
3. 有限元法的优缺点3.1 优点（1）可以模拟复杂加载条件下结构的应力和应变分布，提供较为准确的疲劳寿命预测结果。
（2）可以通过改变加载条件、几何参数等进行敏感性分析，优化结构设计和材料选用。
（3）计算结果直观，可以通过颜色图等形式直观了解结构的应力和应变状态。
基于有限元法的机械疲劳寿命预测方法的研究_吕凯波
( 英文摘要转第 117 页)
2008 年第 6 期 机 械 工 程 与 自 动 化
·11 7·
形状与 3 阶类似, 呈一种垂直关系, 这里不再赘述。 第5 阶模态振型见图7, 它以2 条相互垂直的直径
式( 2) 、式( 4) 中的6 个材料常数K ′、n′、b、c、Ef ′、
Rf ′既可以通过试验得到, 也可以通过近似方法估算。
M SC. F AT IGUE 就提供了通过材料的强度极限与弹
性模量来估算循环特性参数。
图 2 弯矩作用时的 M ises 应力分布图
图 3 扭矩作用时的 M ises 应力分布图
下面以一阶梯轴为例来实际操作应用该软件。 2 应用实例
阶梯轴尺寸见图 1, 材料为 Q420, 有弯曲与扭转 两种载荷, 其载荷历程都假设按正弦规律变化。其中, 弯矩的等效力为12 000N, 扭矩大小为2 550Nm。边界 条件假设为左端固定, 右端加载。分成 3 种工况来研 究, 其各自的Von Mises 应力分布分别见图2～图4, 图 5 为寿命计算结果显示界面。而后对比其应力和寿命, 见表 1。
M SC. F AT IGUE 就为实现此技术提供了软件平 台。 1 软件简介
M SC. F AT IGUE 是由M SC 公司和nCode 公司共 同开发的一套大型高级软件包, 它将已有的有限元计算 结果作为输入, 进一步分析结构的疲劳寿命, 可以允许 用户选择有限元模型任一细节进行疲劳寿命分析。同
图 7 第 5 阶模态振型图
6 阶及更高模态由于转速非常高, 一般发动机中 很少出现, 但作为理论分析可以了解一下。第10 阶模 态的变形情况见图8, 可以看出, 整个涡轮都承受着比 较均匀的力, 但是有几个叶片( 包括故障叶片) 已发生 严重的振动过大现象, 所以说, 如果将来航空发动机 转子转速有大幅度提高的话, 那么叶片的结构、强度 方面也要重新作相应的设计。 3 结论
内齿轮冷挤压工艺参数分析及模具寿命预测
内齿轮冷挤压工艺参数分析及模具寿命预测张瑞妍;刘德仿;王平;葛如海【摘要】采用刚粘塑性有限元法对盲孔内齿轮冷挤压成形工艺参数进行了分析,并预测了模具寿命.运用金属塑性成形软件DEFORM-3D,以275减速轴为研究对象,成形载荷为评价指标,就影响成形工艺的模具设计参数、齿轮特征和工艺条件进行分组建模分析.结果表明:凹模芈锥角、模数、齿数对成形载荷影响较大;工艺条件中摩擦系数对载荷的影响最大;而挤压速度对载荷的影响则不显著.最后基于Archard 模型预测了模具寿命.分析结果对实际生产具有重要的指导意义.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2010(000)006【总页数】3页(P241-243)【关键词】内齿轮;工艺参数;数值模拟;磨损【作者】张瑞妍;刘德仿;王平;葛如海【作者单位】盐城工学院优集学院,盐城,224003;江苏大学汽车与交通工程学院,镇江,212013;盐城工学院优集学院,盐城,224003;盐城工学院优集学院,盐城,224003;江苏大学汽车与交通工程学院,镇江,212013【正文语种】中文【中图分类】TH16;TG3761 引言盲孔内齿轮冷挤压工艺是一种先进的齿轮精密成形工艺。
齿轮在冷挤压过程中变形复杂，包含物理、几何和边界条件三个非线性因素。
一些传统的理论方法，如主应力法、上限法、能量法等，都有各种局限性，不能全面地分析其变形规律。
随着计算机软硬件技术的发展，有限元法理论和微观机理不断得到完善，有限单元法已可以较为真实地模拟金属的变形过程，为合理选择工艺方案提供有力的参考依据[1][2]。
本文运用商业化金属塑性成形软件Deform-3D，以汽车启动机的减速轴为研究对象，分析其模具设计参数、零件特征参数、摩擦条件和工艺条件对内齿轮冷挤压成形工艺的影响规律；并基于Archard 模型预测了模具的寿命，为进一步深入研究齿轮冷挤压工艺及提高模具寿命提供了依据。
2 内齿轮冷挤压数值模拟2.1 刚粘塑性有限元理论刚粘塑性有限元法是利用Markov 变分原理对变形体进行数值模拟求解：完全广义变分原理是对能量泛函进行求极值，以求得问题的真实解。
基于有限元法的机械结构疲劳寿命模拟
基于有限元法的机械结构疲劳寿命模拟近年来，随着科技的不断发展和人们对高质量、高强度机械结构的需求增加，疲劳寿命模拟成为了一个备受关注的研究领域。
机械结构在运行过程中所承受的反复载荷和应力往往会导致疲劳损伤，在严重情况下可能引发结构的破裂甚至事故。
因此，通过模拟机械结构的疲劳寿命，可以为结构设计和改进提供指导和参考，有效提高结构的可靠性和安全性。
有限元法是一种常用的结构力学分析方法，通过建立结构的有限元模型，将结构离散成小块，再通过求解这些小块的力学方程，获得结构的应力、位移等信息。
基于有限元法的机械结构疲劳寿命模拟的关键是确定结构在反复载荷下的疲劳损伤演化情况。
疲劳寿命模拟可以分为两个主要的步骤：第一步是确定结构的应力历程。
在实际应用中，结构常受到多种载荷的作用，如恒定加载、往复加载等。
通过有限元分析，可以获得结构在这些载荷下的应力分布情况，并据此确定结构的应力历程。
第二步是根据应力历程计算结构的疲劳寿命。
疲劳寿命是指结构在特定应力水平下能够承受多少次往复加载，通常使用S-N曲线表示。
通过计算结构的应力历程与S-N 曲线的交点，可以得到结构的疲劳寿命。
在进行基于有限元法的疲劳寿命模拟时，需要考虑多种因素。
首先是材料的疲劳性能，不同材料的疲劳寿命差异很大。
因此，在进行疲劳寿命模拟时，必须选择相应的材料疲劳参数。
其次是结构的载荷情况，应力历程的准确性直接影响到疲劳寿命的准确性。
在实际应用中，往往需要进行多种载荷的叠加，如周期性载荷与随机载荷的叠加。
此外，还需要考虑结构的几何形状和边界条件等。
尽管基于有限元法的机械结构疲劳寿命模拟方法已经取得了显著的进展，但仍然面临一些挑战。
首先是模拟精度的提高，由于结构的疲劳寿命与多个因素相关，如载荷、材料、几何形状等，因此需要考虑更多的因素以提高模拟精度。
其次是计算速度的提高，随着模拟的复杂度增加，计算时间也相应增加，这对于实际工程应用来说是一个挑战。
因此，研究人员需要不断探索新的算法和方法，以提高计算速度和精度。
基于有限元法的机械零部件疲劳寿命预测
基于有限元法的机械零部件疲劳寿命预测随着机械工业的快速发展，机械零部件的质量和寿命成为了制造业中的重要问题。
疲劳寿命是机械零部件能够经受多少次加载循环而不发生破坏的能力，因此对于机械设计和工程分析来说，疲劳寿命预测至关重要。
为了准确预测机械零部件的疲劳寿命，工程师们常常使用有限元法。
有限元法是一种基于数值计算的工程分析方法，通过将结构分割成小的有限元单元，利用单元边界上的位移和力的关系来求解整个结构的应力和变形。
在疲劳分析中，有限元法能够考虑到复杂的载荷作用、材料非线性和结构几何非线性等方面的影响，因此被广泛应用于机械零部件的寿命预测。
首先，疲劳寿命预测需要建立合适的有限元模型。
模型的准确性和精度直接影响到预测的结果。
在建立模型时，需要将机械零部件的几何形状、材料性质和加载条件等因素考虑进去，并进行合理的简化和理想化。
同时，还需要选取合适的网格划分和单元类型，以确保模型的数值计算稳定和精确。
其次，疲劳寿命预测需要确定适当的疲劳损伤准则。
疲劳损伤准则描述了当应力历程超过材料疲劳极限时所产生的损伤情况。
常见的疲劳损伤准则包括极值法、线性累积法和稳态强度法等。
其中，极值法是一种简化的方法，假设疲劳寿命与最大应力的幂律关系，但对于不同的材料和零部件来说，这种假设并不总是准确的。
因此，选择适当的疲劳损伤准则十分重要。
然后，疲劳寿命预测需要获取真实的加载历程。
实际工作条件下的零部件往往会受到多种复杂的加载作用，如振动、冲击和变温等。
因此，在预测中需要获取到真实的加载历程，并将其作为输入数据来模拟零部件在实际工作中的疲劳行为。
可以通过传感器和数据采集系统来获取实验数据，或利用计算机辅助工程软件来模拟真实的工作环境。
最后，疲劳寿命预测需要进行合理的结果分析和验证。
通过对预测结果的分析和比对，可以评估模型的准确性和可信度。
与实验结果进行对比可以发现潜在的差异和偏差，并进行模型修正和调整。
此外，还可以通过实验验证的方法来进一步验证模型的可靠性和适用性。
建筑结构材料疲劳寿命评估与改善
建筑结构材料疲劳寿命评估与改善建筑结构的耐久性是保障其安全性和可靠性的重要因素之一。
而材料的疲劳寿命评估与改善是保证建筑结构长期使用的关键。
本文将从疲劳寿命评估方法和疲劳寿命改善措施两个方面进行讨论。
一、疲劳寿命评估方法1. 弹性区域法弹性区域法是一种常用的疲劳寿命评估方法，其基本原理是通过对材料表面施加循环荷载，记录变形和荷载参数，然后使用S-N曲线来评估材料的疲劳寿命。
该方法适用于弹性材料，但无法考虑材料的非弹性行为。
2. 应变-寿命法应变-寿命法是另一种常用的疲劳寿命评估方法，其基本原理是通过对材料施加循环荷载，记录变形和寿命数据，然后使用应变-寿命曲线来评估材料的疲劳寿命。
该方法适用于弹性和塑性材料，能够更准确地评估材料的疲劳寿命。
3. 快速评估方法除了传统的疲劳寿命评估方法外，还有一些快速评估方法可供选择。
例如，使用有限元分析和数值模拟方法来预测材料的疲劳寿命，或者通过检测材料的声波传播速度变化来评估材料的疲劳状况。
这些方法可以更快速地评估材料的疲劳寿命，但准确性有待改进。
二、疲劳寿命改善措施1. 设计改进在建筑结构的设计中，通过采用合理的结构形式和减少应力集中区域可以改善材料的疲劳寿命。
例如，在接头处增加过渡曲线，避免构件的突变，减少应力集中。
2. 表面处理表面处理是一种有效的改善材料疲劳寿命的方法。
常见的表面处理措施包括喷涂覆层、化学处理和热处理等。
这些处理方式可以增加材料的抗疲劳性能，延长其使用寿命。
3. 材料改进选择合适的材料也是改善疲劳寿命的重要措施之一。
例如，使用高强度的钢材料或者增加钢材的含碳量可以提高材料的疲劳强度。
此外，合理控制材料的化学成分和热处理工艺也能够改善材料的疲劳性能。
4. 定期检测建筑结构材料的疲劳寿命不仅与设计和施工阶段有关，也与日常维护和检测密切相关。
定期对建筑结构进行检测，包括材料的应力、应变和变形等参数的监测，可以及时发现潜在的疲劳问题，并采取相应的措施修复或替换受损材料。
基于有限元方法的机械结构疲劳分析与寿命预测
基于有限元方法的机械结构疲劳分析与寿命预测疲劳分析与寿命预测在机械结构设计中具有重要的意义。
通过对材料的疲劳特性进行研究，并结合有限元方法建立数值模型，可以有效地预测机械结构在使用过程中的受力情况和寿命。
疲劳是机械结构在循环加载下出现的一种失效模式，通常会导致结构的裂纹扩展和损伤积累。
疲劳失效对于安全和可靠性至关重要，因此必须对结构进行疲劳分析，以了解其耐久性和使用寿命。
有限元方法是一种常用的数值分析方法，可以将机械结构抽象成离散的小单元，通过求解控制方程组，得到结构的应力、应变分布。
在疲劳分析中，有限元方法可以用来计算结构在循环加载下的应力应变历程，进而预测结构的疲劳寿命。
首先，需要确定材料的疲劳特性。
疲劳特性包括S-N曲线和疲劳极限等参数。
S-N曲线描述了应力与寿命之间的关系，是进行疲劳寿命预测的重要依据。
疲劳极限是指承受无限循环次数的最高应力。
这些参数可以通过实验获得或从已有的数据库中获取。
接下来，建立机械结构的有限元模型。
有限元模型需要包括结构的几何形状、材料性质以及外加载条件等信息。
通过对结构进行网格划分，可以将结构抽象成大量的小单元，从而将求解控制方程组的问题转化为求解离散方程组的问题。
然后，进行加载与边界条件的设定。
加载条件是指施加到结构上的载荷，可以是静态加载或动态加载。
边界条件是指限制结构运动的约束条件，可以是支座约束或预定位约束等。
这些条件需要根据实际情况进行合理设定。
在求解有限元方程组之后，可以得到结构各处的应力与应变分布。
通过与疲劳特性相结合，可以计算得到结构在循环加载下的疲劳寿命。
通常使用疲劳强度折减因子来考虑不同应力水平下的寿命衰减。
通过以上步骤，可以进行一次基于有限元方法的机械结构疲劳分析与寿命预测。
然而，实际工程中的机械结构往往受到多种不确定因素的影响，如材料的不均匀性、加载条件的随机性等。
因此，在疲劳分析中，还需要考虑不确定性的影响。
一种常用的方法是应用统计学方法进行可靠性分析。
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基于 弹塑 性有 限 元法 的冷挤 压模 具 应 变 法 疲 劳 寿 命 分 析
魏 志 刚① 汤 文 成②
（ 安徽工 业大学机械 学院 ， ① 安徽 马鞍 山 ２ ３０ ； ４ ０２ ② 东 南大 学机械 工程 学院 ， 苏 南京 ２ １８ 江 １１９）
摘 要： 对冷 挤压模具 的低 周疲劳 破坏进行 了寿命分 析 。首先对 模具 采 用弹塑 性 热力耦 合模 型进 行 了成型
ｔｅ ｍａ — ｃ ａ ｉａ ｄ １ ｈ ｒ ｌ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌｍｏ ｅ．Ｔｈ ｅ ＭＳＣ． ｒ ｏ ｔ ｐｒｃ ｓ ｉ ｇｆｌ ｓｍｏ ｉ ｅ ｏｆｌ ａｅｔ ｅ ｕ ｅｅ ｓｍｏ — Ｍａｃ ｐ ｓ— ｏ ｅ ｓｎ ｅｗａ ｄｆ ｄ ｔ ｔ ｔ ｈ ｓ ｌｓ ｄ ｉ ｉ ｉ ｒ ｅ ｅ ｕ ｔｄ ｔ ｈｅ ｈｅｆｌ ｓｒ —ｅ ｖ ｌ ｐ ｄ．Ｔｈ ｓ ｔ ｅ ｕ ｅｕｌｒ ｓ ｌ ｆｌ ｓ ｉ ｔｏ ｕ ｅ ｏ ｔ ｒ ｆｓ ｌｒ ｓ ｌ ａ ａ，ｔ ｎ ｔ ｅ ｗａ ｅ ｎ ｅｏ ｅ ｉ ｕ ｈ ｓ ｆ ｅ ｕ ｔｉ ｅ ｗａ ｎｒ ｄ ｃ ｄ ｔ ｈｅ ｐ ｏ ｅ —
中图分类号 ： Ｇ ７ ． Ｔ ３６３ 文献标 识码 ： Ｂ
Ｓ ｒ ｉ－ｉ ｔ ｏ ａ ｉｕ ｉ ｎ ｌｓｓ ｏ ｏｄ ｅ ｔｕ ｉｎ ｍｏ ｌ ｂ ｓ ｄ ｏ ｌｓｉ－ ｌｓｉ Ｅ ｔ ｎ ｌｅ ｍｅ ｈ ｄ ｆ ｔ ｅ ｌｅ ａ ａｙ ｉ ｆｃ ｌ ｘ ｒ ｓｏ ｕｄ ａ ｅ ｎ ｅａ ｔ ｐａ ｔ Ｆ Ａ ａ ｆ ｇ ｆ ｃ ｃ
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过程仿真 ， 获得 了成 型过程 中模具完 整的应变 一 间历 程 ；然后 采用 Ｆ ｒｒｎ语 言对 ＭＳ ． ｒ 分 时 ｏｔ ａ Ｃ Ｍａ ｃ 析 后处理文 件进行修 改 ， 除不 需要 的模 型数据和 结果数 据 ， 删 对后处 理文件 重新进行 封装 ， 需要的 将
弹塑 性结果导入 到专用疲 劳分析软 件 ＭＳ ． ａｉｕ ， 用应变寿 命法进行 了疲劳 寿命预测 ， Ｃ Ｆｔ ｅ 使 ｇ 获得 了 模具疲劳 寿命分布 云 图。分析结果 与实际情 况符合 良好 ， 测 寿命 具 有较 高的 可信 度 ， 现 了挤压 预 实 模 具完整 的疲劳寿命 预测 ， 基于疲劳 寿命的模具 结构设 计提供 了一整套 可行的方 法。 为 关 键词 ： 冷挤压 模具 弹塑性 应变寿 命法 疲 劳寿命
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