CN108829917B - 一种秸秆抛送叶轮疲劳寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种秸秆抛送叶轮疲劳寿命预测方法，包括流固耦合及抛送叶轮应力分析；双参数名义应力模型；抛送叶轮的双参数名义应力模型；Miner疲劳累积损伤模型。本发明的有益效果是：采用双参数(平均应力Sa Sm与应力幅Sa)名义应力模型、Miner疲劳累积损伤模型以及疲劳寿命对数正态分布模型联合的抛送叶轮疲劳寿命预测方法，同时为了准确获得抛送叶轮所受随机循环载荷，采用流固耦合方法对其应力进行计算分析，并以此为依据对抛送叶轮进行疲劳寿命预测。

Description

一种秸秆抛送叶轮疲劳寿命预测方法

技术领域

本发明涉及一种叶轮疲劳寿命预测方法，具体为一种秸秆抛送叶轮疲劳寿命预测方法，属于农业纤维物料收获和加工机械设计与计算机辅助分析的交叉领域。

背景技术

叶片式秸秆抛送装置主要通过高速旋转的抛送叶轮产生的离心力与气流的综合作用抛送物料。作为核心部件的抛送叶轮，主要受到离心力、重力以及叶轮-气流-物料-外壳多重耦合流场力等随机循环载荷的共同作用，实践表明叶轮疲劳断裂是其失效的主要原因，直接影响着整个叶片式秸秆抛送装置的安全与性能。

目前国内外对叶片式秸秆抛送装置的设计研究多注重其功耗、抛送效率以及抛送距离等性能指标，由于抛送叶轮与叶片式秸秆抛送装置内部气流、所抛送物料以及抛送外壳之间的相互作用情况非常复杂，采用理论分析与试验方法很难获得抛送叶轮所受载荷信息，故目前对抛送叶轮的疲劳问题多是定性分析。

为了准确获得叶片式抛送装置工作时抛送叶轮所受多重耦合流场力等随机循环变载荷，在对抛送装置内气流-物料两相流场模拟计算基础上，以抛送叶轮为研究对象，采用流固耦合方法对其进行有限元分析，计算得到抛送叶轮在流场压力、离心力及重力等载荷综合作用下的应力分布情况，然后以此为依据采用双参数(平均应力Sm与应力幅Sa)名义应力模型、Miner疲劳累积损伤模型以及疲劳寿命对数正态分布模型联合对叶片式抛送装置抛送叶轮疲劳寿命进行预测。在设计阶段就能精确地预测抛送叶轮的疲劳寿命，以保证叶片式秸秆抛送装置安全、可靠地运行。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种秸秆抛送叶轮疲劳寿命预测方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种秸秆抛送叶轮疲劳寿命预测方法，其预测方法包括以下步骤：

步骤A，流固耦合及抛送叶轮应力分析。

建立抛送叶轮的有限元模型，并进行网格划分。

在Fluent中建立叶片式抛送装置流道模型，采用大涡模拟湍流模型对空载时叶片式抛送装置内非定常流场进行数值模拟，获得单相气流场瞬时脉动压力的变化规律以及叶轮表面的流场压力分布规律。

在ANSYS Workbench中利用Fluent+Workbench耦合分析平台将流场数值计算结果中抛送叶轮表面所受气流流场载荷加载到叶轮结构耦合面上，同时加载旋转离心力载荷以及叶轮自重，并施加约束。

采用有限元方法计算得到空载时抛送叶轮等效应力云图、最大应力及其位置，在应力最大区域设定应力监测点，并输出运行稳定后监测点应力随时间变化的仿真计算结果。

采用DH5909无线应变测试系统对空载时抛送叶轮危险截面的应力进行测试，并与相同位置抛送叶轮应力数值模拟结果比较以验证数值计算的准确性。

通过空载数值计算结果验证流固耦合模型正确基础上，采用大涡模拟与稠密离散相模型进行负载时抛送装置内非定常流场的数值模拟，获得气流-物料两相流场瞬时脉动压力的变化规律以及叶轮表面的两相流场压力分布规律，同理计算负载情况下抛送叶轮在气-固多重耦合流场压力、离心力及重力等载荷综合作用下的应力分布情况,以此为依据对抛送叶轮疲劳寿命进行预测。

步骤B，双参数名义应力模型。

抛送叶轮属于高周疲劳，在疲劳可靠性设计时，交变最大应力Smax与疲劳寿命N的关系为：

式中，m、C为材料常数。

按照交变最大应力Smax与平均应力Sm、应力幅Sa的关系，式(1)可以用Sm及Sa的形式表示，即

及

式中，r为应力比。

抛送叶轮是在随机循环载荷下运行的，需对对称循环交变载荷下的S-N曲线进行修正，选用Goodman公式作为等寿命曲线：

式中，S_b为材料的强度极限，S-₁为对称循环载荷下材料的疲劳极限。

联立(2)、(3)以及(4)可得Goodman型双参数名义应力方程：

选用Gerber公式作为等寿命曲线：

同理可求得Gerber型双参数名义应力方程：

步骤C，抛送叶轮的双参数名义应力模型。

修正后适合抛送叶轮的Goodman型双参数名义应力方程为：

修正后适合抛送叶轮的Gerber型双参数名义应力方程为：

式中，K_S为叶轮的有效应力集中系数；ε_S为尺寸系数；β为表面质量系数；φ_S为叶轮材料对应力循环不对称性的敏感系数。

步骤D，Miner疲劳累积损伤模型。

线性累积损伤理论即Miner准则认为损伤是线性累积的，当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一个循环都使材料产生一定的损伤。对于等幅应力水平(Sa，Sm)作用下的构件，每1次载荷循环所造成的疲劳损

伤为1/N(Sa，Sm)，n次循环造成的损伤为：

式中，n为实际循环次数，N为应力水平(Sa，Sm)下的破坏循环次数。当n＝N时，D＝1，构件发生疲劳破坏。

对于变幅应力水平作用下的抛送叶轮，假设在一个周期内叶轮承受k级不同的应力水平作用，在应力水平(Sai，Smi)作用下经过ni次循环，对应等幅应力水平(Sai，Smi)的疲劳寿命为Ni。则ni次循环造成的疲劳损伤为：

当这些损伤累积起来等于1时，叶轮将会发生疲劳破坏。

步骤E，疲劳寿命对数正态分布模型。

在循环载荷的作用下，叶轮疲劳寿命的分布规律，可以由对数正态概率密度函数来表示：

式中，x为疲劳寿命随机变量，μ与σ分别为对数均值与对数标准差。

对数正态分布的可靠度函数为：

式中，F(x)为对数正态分布的分布函数，

为标准正态分布的分布函数。

优选的，为了提高抛送叶轮疲劳寿命估算的精确性，所述抛送叶轮在变幅载荷下工作，其疲劳破坏是不同频率和幅值的载荷所造成的损伤逐渐积累的结果。

优选的，为了便于通过正态分布预测疲劳寿命，所述抛送叶轮在工作过程中所受载荷、材料参数和几何参数等基本变量具有随机性。

本发明的有益效果是：该秸秆抛送叶轮疲劳寿命预测方法设计合理，抛送叶轮在变幅载荷下工作，其疲劳破坏是不同频率和幅值的载荷所造成的损伤逐渐积累的结果,每一个由双参数幅值和均值表示的载荷循环与疲劳损伤一一对应，不需要进行应力的等效转化，从而提高抛送叶轮疲劳寿命估算的精确性,抛送叶轮在工作过程中所受载荷、材料参数和几何参数等基本变量具有随机性,其疲劳寿命分布服从对数正态分布,其疲劳寿命具有离散性。

附图说明

图1为本发明秸秆抛送叶轮结构示意图；

图2为本发明空载时抛送叶轮等效应力云图；

图3为本发明抛送叶轮应力测试点位置试意图；

图4为本发明空载抛送叶轮实测应力与仿真应力比较图；

图5为本发明负载抛送叶轮最大应力点处应力变化值图；

图中：1、抛送叶轮，2、外壳和3、出料管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种秸秆抛送叶轮疲劳寿命预测方法，其预测方法包括以下步骤：

步骤A，流固耦合及抛送叶轮应力分析。

建立抛送叶轮的有限元模型，并进行网格划分。

在Fluent中建立叶片式抛送装置流道模型，采用大涡模拟湍流模型对空载时叶片式抛送装置内非定常流场进行数值模拟，获得单相气流场瞬时脉动压力的变化规律以及叶轮表面的流场压力分布规律。

在ANSYS Workbench中利用Fluent+Workbench耦合分析平台将流场数值计算结果中抛送叶轮表面所受气流流场载荷加载到叶轮结构耦合面上，同时加载旋转离心力载荷以及叶轮自重，并施加约束。

采用有限元方法计算得到空载时抛送叶轮等效应力云图、最大应力及其位置，在应力最大区域设定应力监测点，并输出运行稳定后监测点应力随时间变化的仿真计算结果。

采用DH5909无线应变测试系统对空载时抛送叶轮危险截面的应力进行测试，并与相同位置抛送叶轮应力数值模拟结果比较以验证数值计算的准确性。

通过空载数值计算结果验证流固耦合模型正确基础上，采用大涡模拟与稠密离散相模型进行负载时抛送装置内非定常流场的数值模拟，获得气流-物料两相流场瞬时脉动压力的变化规律以及叶轮表面的两相流场压力分布规律，同理计算负载情况下抛送叶轮在气-固多重耦合流场压力、离心力及重力等载荷综合作用下的应力分布情况,以此为依据对抛送叶轮疲劳寿命进行预测。

步骤B，双参数名义应力模型。

抛送叶轮属于高周疲劳，在疲劳可靠性设计时，交变最大应力Smax与疲劳寿命N的关系为：

式中，m、C为材料常数。

按照交变最大应力Smax与平均应力Sm、应力幅Sa的关系，式(1)可以用Sm及Sa的形式表示，即

及

式中，r为应力比。

抛送叶轮是在随机循环载荷下运行的，需对对称循环交变载荷下的S-N曲线进行修正，选用Goodman公式作为等寿命曲线：

式中，S_b为材料的强度极限，S-₁为对称循环载荷下材料的疲劳极限。

联立(2)、(3)以及(4)可得Goodman型双参数名义应力方程：

选用Gerber公式作为等寿命曲线：

同理可求得Gerber型双参数名义应力方程：

步骤C，抛送叶轮的双参数名义应力模型。

修正后适合抛送叶轮的Goodman型双参数名义应力方程为：

修正后适合抛送叶轮的Gerber型双参数名义应力方程为：

式中，K_S为叶轮的有效应力集中系数；ε_S为尺寸系数；β为表面质量系数；φ_S为叶轮材料对应力循环不对称性的敏感系数。

步骤D，Miner疲劳累积损伤模型。

线性累积损伤理论即Miner准则认为损伤是线性累积的，当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一个循环都使材料产生一定的损伤。对于等幅应力水平(Sa，Sm)作用下的构件，每1次载荷循环所造成的疲劳损

伤为1/N(Sa，Sm)，n次循环造成的损伤为：

式中，n为实际循环次数，N为应力水平(Sa，Sm)下的破坏循环次数。当n＝N时，D＝1，构件发生疲劳破坏。

对于变幅应力水平作用下的抛送叶轮，假设在一个周期内叶轮承受k级不同的应力水平作用，在应力水平(Sai，Smi)作用下经过ni次循环，对应等幅应力水平(Sai，Smi)的疲劳寿命为Ni。则ni次循环造成的疲劳损伤为：

当这些损伤累积起来等于1时，叶轮将会发生疲劳破坏。

步骤E，疲劳寿命对数正态分布模型。

在循环载荷的作用下，叶轮疲劳寿命的分布规律，可以由对数正态概率密度函数来表示：

式中，x为疲劳寿命随机变量，μ与σ分别为对数均值与对数标准差。

对数正态分布的可靠度函数为：

式中，F(x)为对数正态分布的分布函数，

为标准正态分布的分布函数。

其中，所述抛送叶轮在变幅载荷下工作，其疲劳破坏是不同频率和幅值的载荷所造成的损伤逐渐积累的结果,每一个由双参数幅值和均值表示的载荷循环与疲劳损伤一一对应，不需要进行应力的等效转化，从而提高抛送叶轮疲劳寿命估算的精确性，所述抛送叶轮在工作过程中所受载荷、材料参数和几何参数等基本变量具有随机性,其疲劳寿命分布服从对数正态分布,其疲劳寿命具有离散性。

实施例

如图1所示，叶片式抛送叶轮装置主要由抛送叶轮1、抛送外壳2以及出料管3组成。

设计的已知条件为：叶片式抛送装置叶轮外径为Φ500mm、叶片宽度140mm、叶片厚5mm，叶片数4，叶片倾角为径向叶片，叶轮转速为1500r/min；所抛送物料为揉碎的黄玉米秸秆，揉碎长度4～12mm，平均直径Φ2～6mm，平均密度9.21×10^-8kg/mm³。喂入量为0.8kg/s。

1)建立抛送叶轮的有限元模型，并进行网格划分，其中网格单元数为26 800，节点数40 532。

在Fluent中建立叶片式抛送装置流道模型，并对计算区域进行网格划分，网格数为687 533。采用大涡模拟湍流模型对空载时抛送装置内非定常流场进行数值模拟，获得单相气流场瞬时脉动压力的变化规律以及叶轮表面的流场压力分布规律。

ANSYS Workbench中利用Fluent+Workbench耦合分析平台将流场数值计算结果中抛送叶轮表面所受气流流场载荷加载到叶轮结构耦合面上，同时加载旋转离心力载荷以及叶轮自重。对叶轮X、Y、Z三个方向的移动和绕X、Z轴的转动施加约束，仅保留绕Y轴转动的一个自由度，叶轮转速为1500r/min。

在以上载荷的共同作用下，采用有限元方法计算得到空载时抛送叶轮等效应力云图如附图2所示。通过Workbench软件后处理中的探测工具可知，叶片根部与加强版连接处的应力最大，最大值为25.435MPa。在应力最大区域设定应力监测点(附图3)。附图4为空载叶轮转速1500r/min且运行稳定后监测点应力随时间变化(0.25秒)的仿真计算结果。

为了验证有限元计算结果的正确性，采用东华测试技术股份有限公司研制的DH5905无线应变测试仪对叶片式抛送装置运行时抛送叶轮的应力进行测试。考虑到负载情况下测试系统会影响物料的抛送，本试验仅对空载时叶轮的应力进行测试。

附图4为空载叶轮转速1500r/min时测试点应力仿真值与实测值的对比图。由图可知，仿真应力与实测应力均为随机循环变载荷，且周期相同，波形基本吻合。但由于在仿真过程中对载荷的加载过程进行了一定简化、抛送叶轮实际的加工误差以及实验条件限制等因素，使得测试点的应力仿真值和实测值有误差。仿真最大应力略大于实测最大应力，相对误差为1.34％；仿真最小应力值小于实测应力最小值，误差为12.51％，平均应力误差为0.77％。故仿真结果基本可信。

在空载数值计算基础上，采用大涡模拟与稠密离散相模型进行负载时抛送装置内非定常流场的数值模拟，获得气流-物料两相流场瞬时脉动压力的变化规律以及叶轮表面的两相流场压力分布规律。采用流固耦合方法同理可计算得到负载时抛送叶轮最大应力随时间的变化规律如附图5所示。

2)抛送叶轮的材料为Q235，由Q235疲劳试验数据可知其疲劳寿命服从对数正态分布，强度极限S_b＝400MPa。根据式(1)，结合公式(12)和(13)利用最小二乘法拟合Q235疲劳试验数据可得到S-N曲线参数：可靠度为50％时，m＝8.0677，C＝10^24.54；可靠度为90％时，m＝8.0677，C＝10^24.29；可靠度为99％时，m＝8.0677，C＝10^24.23。

考虑到影响叶轮疲劳强度的因素，取K_S＝1.2、ε_S＝0.91、β＝0.85、

结合式(8)可得抛送叶轮Goodman型双参数名义应力疲劳寿命：

可靠度为50％时，

可靠度为90％时，

可靠度为99％时，

结合式(9)可得抛送叶轮Gerber型双参数名义应力疲劳寿命：

可靠度为50％时，

可靠度为90％时，

可靠度为99％时，

由附图5可得叶轮危险截面最大应力点处的应力幅值S_a、均值S_m及应力比r，结合公式(11)可计算抛送叶轮工作转速为1500r/min叶轮可靠度P分别为50％、90％以及99％时采用Goodman及Gerber型双参数名义应力模型的疲劳寿命如附表1所示。

附表1抛送叶轮疲劳寿命预测结果(小时)

由附表1可知，可靠度越高，抛送叶轮相应的疲劳寿命越低，但这不利于材料潜能的充分发挥，故在工程设计中要根据实际需要选择合适的可靠度。

一般情况下，叶片式抛送装置抛送叶轮疲劳寿命的可靠度取值为90％，实际额定寿命为2×10⁶h。可见，抛送叶轮疲劳寿命间于Goodman型与Gerber型双参数名义应力模型之间，与Gerber型双参数名义应力模型更符合。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种秸秆抛送叶轮疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述预测方法包括以下步骤：

步骤A，流固耦合及抛送叶轮应力分析；

建立抛送叶轮的有限元模型，并进行网格划分；

在Fluent中建立叶片式抛送装置流道模型，采用大涡模拟湍流模型对空载时叶片式抛送装置内非定常流场进行数值模拟，获得单相气流场瞬时脉动压力的变化规律以及叶轮表面的流场压力分布规律；

在ANSYS Workbench中利用Fluent+Workbench耦合分析平台将流场数值计算结果中抛送叶轮表面所受气流流场载荷加载到叶轮结构耦合面上，同时加载旋转离心力载荷以及叶轮自重，并施加约束；

采用有限元方法计算得到空载时抛送叶轮等效应力云图、最大应力及其位置，在应力最大区域设定应力监测点，并输出运行稳定后监测点应力随时间变化的仿真计算结果；

采用DH5909无线应变测试系统对空载时抛送叶轮危险截面的应力进行测试，并与相同位置抛送叶轮应力数值模拟结果比较以验证数值计算的准确性；

步骤B，双参数名义应力模型；

抛送叶轮属于高周疲劳，在疲劳可靠性设计时，交变最大应力Smax与疲劳寿命N的关系为：

式中，m、C为材料常数；

按照交变最大应力Smax与平均应力Sm、应力幅Sa的关系，式(1)可以用Sm及Sa的形式表示，即

及

式中，r为应力比；

抛送叶轮是在随机循环载荷下运行的，需对对称循环交变载荷下的S-N曲线进行修正，选用Goodman公式作为等寿命曲线：

式中，S_b为材料的强度极限，S-₁为对称循环载荷下材料的疲劳极限；

联立(2)、(3)以及(4)可得Goodman型双参数名义应力方程：

选用Gerber公式作为等寿命曲线：

同理可求得Gerber型双参数名义应力方程：

步骤C，抛送叶轮的双参数名义应力模型；

修正后适合抛送叶轮的Goodman型双参数名义应力方程为：

修正后适合抛送叶轮的Gerber型双参数名义应力方程为：

式中，KS为叶轮的有效应力集中系数；εS为尺寸系数；β为表面质量系数；φS为叶轮材料对应力循环不对称性的敏感系数；

步骤D，Miner疲劳累积损伤模型；

线性累积损伤理论即Miner准则认为损伤是线性累积的，当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一个循环都使材料产生一定的损伤；

对于等幅应力水平(Sa，Sm)作用下的构件，每1次载荷循环所造成的疲劳损伤为1/N(Sa，Sm)，n次循环造成的损伤为：

式中，n为实际循环次数，N为应力水平(Sa，Sm)下的破坏循环次数，当n＝N时，D＝1，构件发生疲劳破坏；

对于变幅应力水平作用下的抛送叶轮，假设在一个周期内叶轮承受k级不同的应力水平作用，在应力水平(Sai，Smi)作用下经过ni次循环，对应等幅应力水平(Sai，Smi)的疲劳寿命为Ni，则ni次循环造成的疲劳损伤为：

当这些损伤累积起来等于1时，叶轮将会发生疲劳破坏；

步骤E，疲劳寿命对数正态分布模型；

在循环载荷的作用下，叶轮疲劳寿命的分布规律，可以由对数正态概率密度函数来表示：

式中，x为疲劳寿命随机变量，μ与σ分别为对数均值与对数标准差；

对数正态分布的可靠度函数为：

式中，F(x)为对数正态分布的分布函数，

为标准正态分布的分布函数。

2.根据权利要求1所述的一种秸秆抛送叶轮疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述抛送叶轮在变幅载荷下工作，其疲劳破坏是不同频率和幅值的载荷所造成的损伤逐渐积累的结果,每一个由双参数幅值和均值表示的载荷循环与疲劳损伤一一对应，不需要进行应力的等效转化，从而提高抛送叶轮疲劳寿命估算的精确性。

3.根据权利要求1所述的一种秸秆抛送叶轮疲劳寿命预测方法，其特征在于：所述抛送叶轮在工作过程中所受载荷、材料参数和几何参数基本变量具有随机性,其疲劳寿命分布服从对数正态分布,其疲劳寿命具有离散性。

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