钢丝扭转疲劳断裂位置研究

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1、钢丝扭转疲劳断裂位置研究魏文杰1海闯2刘鼎立3(1.中机生产力促进中心北京1000442.机械科学研究总院北京1000443.北京科技大学天津学院天津301830 )摘要：扭转疲劳试验中钢丝断裂的位置是判断试验有效关键影响因素，本文中基于实际钢丝的受力情况进行有限元分析，得出钢丝柱面母线上应力变化情况，标定出夹持力的附加应力影响区域，并用实际试验中的钢丝断裂位置验证。最后用游程检验法检验钢丝在试验区断裂位置是随机分布的。关键字：扭转钢丝有限元法断裂位置游程检验Researchonthelocationofthesteelwir

2、efractureintorsionalfatiguetestWenjieWei1,ChuangHai2,DingliLiu3(1.ChinaProductivityCenterForMachineryBeijing1000442.ChinaAcademyofMachineryScienceandTechnologyBeijing1000443.TianjinCollege,UniversityofScienceandTechnologyBeijingTianjin301830)Abstract:Thepositionofth

3、esteelwirefracturerepresentsthesuccessorfailureintorsionalfatiguetest.Basedontheactualforceofthewire,inthispaper,wemakethefiniteelementanalysis,concludedthestresschangesonthebusofthesteelsteel,demarcatetheareainfluencedbytheadditionalstressoftheclampingforce,andItis

4、verifiedbythelocationofthesteelwireintheactualtest.AtlastweverifythatthelocationofthesteelwireistherandomdistributionbyRUNTestwhenthesteelwirefractureisinexperimentalsite.弹簧疲劳试验中往往以压缩疲劳试验和四点弯曲试验居多，但是他们都各自有缺点，不适应弹簧轻量化高应力的发展趋势。而在以往的钢丝扭转试验中，一般会将夹持区域制造的比试验区粗，这样就可以避免夹持区域

5、附加应力的影响，但是弹簧材料由于表面应力状态，拉拔程度、外形尺寸等与一般钢材不同不易做成中间细的试棒进行疲劳试验。本文中弹簧钢丝扭转疲劳试验能快速得到高应力的弹簧疲劳性能。钢丝扭转疲劳试验直接将钢丝夹在试验机上，由于夹持区域会有附加应力，得到的疲劳数据不能反映钢丝的真实疲劳强度。因此钢丝断裂位置可判断疲劳数据是否失真。一．原理分布于弹性体上一小块面积（或体积）内的荷载所引起的物体中的应力，在离荷载作用区稍远的地方，基本上只同荷载的合力和合力矩有关；荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布。钢丝在扭转试验时，受到的夹持力为夹

6、持面上均匀力，其力矩与合力均为0.因此加持力对于钢丝上原理夹持区域的地方基本上没有影响，其仅影响夹持区域附近的应力分布。通过对钢丝进行有限元分析可得出夹持区域附近的受影响的应力分布情况。二．有限元分析2.1几何模型本文用solidworks建立钢丝的几何模型，如下所示。图1钢丝的几何模型为方便施加扭矩和夹持力在钢丝的有段留出10mm长的区域，此区域的直径为4.0001mm略大于左端钢丝，但并不影响有限元仿真的结果（下文中划分的单元大小远远大于0.0001mm）。2.2网格划分和边界条件考虑到精度要求和模型建立的需要，扭转钢丝属

7、于细长模型，但是由于其圆截面应力变化很大，不能简单采用杆单元，可选用四面体四节点和六面体八节点空间实体单元共同使用，使用自动网格划分。该方法实际上是在四面体网格和六面体网格之间自动切换，当能够扫掠时，就用扫掠网格划分，当不能扫掠网格划分时，就用四面体。本文中因为夹持区域的直径略大于其他区域，整个模型不能使用简单的使用扫掠的方法划分，应该图1尖头位置使用四面体四节点常应变空间单元即为常用的四面体单元，它的优点是有较好的几何适应能力，能划分各种可能的不规则几何模型，正因为这样，四节点空间单元成为本次有限元分析中不可缺少的单元类型，

8、可用于图1中剪头位置。虽然四节点常应变空间单元有着极和适应能力强的有点，但是因为是常应变单元，在大应力梯度区，需要较多的单元数来弥补其函数形式本身的不足。所以本论文在做扭力轴的有限元分析中采用四节点常应变空间单元与八节点空间实体单元共同使用的原则，来保证得到较精确的结果，有助