CN115618666A - 一种用于油气管道泵的弹性联轴器疲劳寿命分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于油气管道泵的弹性联轴器疲劳寿命分析方法，采用谐响应分析法，只需要获取材料的基本疲劳特性数据，结合样条插值，利用仿真和简单的计算即可完成疲劳寿命分析，省去了复杂繁琐的计算，避免了大量的疲劳实验，从仿真模型的验证到结果评估的对比分析均保证了疲劳寿命分析结果的准确性；本发明利用谐响应分析法还能有效确定结构易损伤部位，有助于对易损伤部位的采取预防措施，并对弹性联轴器结构的优化设计起参考作用。
Description
技术领域
本发明属于弹性联轴器疲劳寿命分析技术领域，具体涉及一种用于油气管道泵的弹性联轴器疲劳寿命分析方法。
背景技术
联轴器作为油气管道中管道泵故障的多发部位，其性能对机组设备的稳定安全运行起着重要的作用。而弹性联轴器又是常用的一类联轴器，因含有橡胶类的弹性化合物，为其提供了额外的强度，延长了使用寿命；随着社会及经济的发展，工业化进程的脚步加快，弹性联轴器由于能容纳所有类型的偏差、安装简单以及能补偿两轴间因不对中引起的位移偏差等优势受到广泛关注，其使用寿命也逐渐成为研究的重点。
目前广泛采用的是名义应力法对弹性联轴器进行疲劳寿命分析，按S-N曲线用疲劳损伤累积理论进行疲劳寿命计算。但名义应力法的各种经验公式均依赖于大量的疲劳试验，采用等效疲劳载荷计算时容易与现场实际的疲劳时序不一致，且对于不规则的几何形状进行计算时其S-N曲线及疲劳等级难以确定。
因此，现目前需要一种快速、准确，且操作简单，适用于各种形状的弹性联轴器疲劳寿命分析方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于油气管道泵的弹性联轴器疲劳寿命分析方法，采用谐响应分析法，只需要获取材料的基本疲劳特性数据，结合样条插值，利用仿真和简单的计算即可完成疲劳寿命分析，避免了繁杂的疲劳试验。
为了达到解决上述技术问题的技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：一种用于油气管道泵的弹性联轴器疲劳寿命分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，根据实际工况建立等比弹性联轴器三维有限元模型，通过仿真得到加速度振动信号并获取其信号特征；同时，在同等条件下获取实际的振动加速度信号，对比二者信号特征，以此验证模型的准确性；
步骤二，获取弹性联轴器涉及的材料参数，添加材料的S-N曲线到仿真中，以实际情况下的载荷条件为输入，进行谐响应分析；
步骤三，通过谐响应分析，获取系统在特定载荷下所激发出的易损伤部位以及整个过程中的结构响应，确定结构在给定载荷下的频域响应曲线，分析得到其峰值和对应相角大小；
步骤四，利用步骤三获得的峰值和相角条件作为Fatigue Tool模块的输入条件，Fatigue tool模块可以对步骤三获得的结果进行应力-应变疲劳分析，得出构件的疲劳寿命和应力-应变云图；
步骤五，基于获得的结构应力结果，对最大/最小的平均节点应力进行应力幅值计算，得到弹性联轴器仿真后的应力幅值；
步骤六，根据仿真得出的疲劳寿命结果，基于所涉及材料的S-N曲线等疲劳参数，利用样条插值反推得到应力幅值，用于与Fatigue tool模块得到的应力幅值对比；
步骤七，对比疲劳寿命仿真得到的应力幅值结果与样条插值法倒推得到的应力幅值，对仿真的正确性进行验证，进而评估得到的疲劳寿命结果的正确性。
进一步的，所述步骤二中获取弹性联轴器所涉及的材料参数包括弹性模量、屈服强度、泊松比；且所述S-N曲线表达式为：
NSm＝A
其中，N表示循环次数，S为应力振幅(Pa)，m为疲劳强度指数，A为疲劳强度；
进一步的，所述步骤二中的谐响应分析用于分析持续的周期载荷在结构系统中产生的周期响应，以及确定线性结构承受随时间按正弦(简谐)规律变化的载荷时稳定响应，能够获取系统在特定载荷下所激发出的易损伤部位以及整个过程中的结构响应，并确定结构在给定载荷下的应力-频率响应曲线，从而获得易损伤部位信息；
且谐响应下的结构控制方程为：
其中，[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵，{F}为外接激励矩阵；
本发明的有益效果是：
本发明采用谐响应分析法，只需要获取材料的基本疲劳特性数据，结合样条插值，利用仿真和简单的计算即可完成疲劳寿命分析，省去了复杂繁琐的计算，避免了大量的疲劳实验，从仿真模型的验证到结果评估的对比分析均保证了疲劳寿命分析结果的准确性；本发明利用谐响应分析法还能有效确定结构易损伤部位，有助于对易损伤部位的采取预防措施，并弹性联轴器结构的优化设计起参考作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的基于谐响应分析的疲劳寿命分析流程；
图2为本发明的弹性联轴器三维模型；
图3为本发明的预应力谐响应仿真分析流程；
图4为本发明的材料库S-N曲线添加图；
图5为本发明的谐响应分析总变形云图；
图6为本发明的最大应力云图；
图7为本发明的最小应力云图；
图8为本发明的恒定振幅载荷曲线；
图9为本发明的寿命云图。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种用于油气管道泵的弹性联轴器疲劳寿命分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，根据实际工况建立等比弹性联轴器三维有限元模型，通过仿真得到加速度振动信号并获取其信号特征；同时，在同等条件下获取实际的振动加速度信号，对比二者信号特征，以此验证模型的准确性；
步骤二，获取弹性联轴器涉及的材料参数，添加材料的S-N曲线到仿真中，以实际情况下的载荷条件为输入，进行谐响应分析；
获取弹性联轴器所涉及的材料参数包括弹性模量、屈服强度、泊松比；且所述S-N曲线表达式为：
NSm＝A
其中，N表示循环次数，S为应力振幅(Pa)，m为疲劳强度指数，A为疲劳强度；
谐响应分析用于分析持续的周期载荷在结构系统中产生的周期响应，以及确定线性结构承受随时间按正弦(简谐)规律变化的载荷时稳定响应，能够获取系统在特定载荷下所激发出的易损伤部位以及整个过程中的结构响应，并确定结构在给定载荷下的应力-频率响应曲线，从而获得易损伤部位信息；
且谐响应下的结构控制方程为：
其中，[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵，{F}为外接激励矩阵；
步骤三，通过谐响应分析，获取系统在特定载荷下所激发出的易损伤部位以及整个过程中的结构响应，确定结构在给定载荷下的频域响应曲线，分析得到其峰值和对应相角大小；
步骤四，利用步骤三获得的峰值和相角条件作为Fatigue Tool模块的输入条件，Fatigue tool模块可以对步骤三获得的结果进行应力-应变疲劳分析，得出构件的疲劳寿命和应力-应变云图；
步骤五，基于获得的结构应力结果，对最大/最小的平均节点应力进行应力幅值计算，得到弹性联轴器仿真后的应力幅值；
步骤六，根据仿真得出的疲劳寿命结果，基于所涉及材料的S-N曲线等疲劳参数，利用样条插值反推得到应力幅值，用于与Fatigue tool模块得到的应力幅值对比；
步骤七，对比疲劳寿命仿真得到的应力幅值结果与样条插值法倒推得到的应力幅值，对仿真的正确性进行验证，进而评估得到的疲劳寿命结果的正确性。
实施例2
基于上述实施例1，根据图1所示分析流程，建立如图2所示的三维模型，预应力谐响应分析的流程图如图3所示，以钢材为例，添加材料S-N曲线如图4所示，旋转面的纵向施加2000N的力，谐响应分析结果如图5所示，在施加的外载荷作用下，两侧向圆面所示压迫最大，即为易损部位；设定2000Hz为最大峰值，设定2000Hz为加载条件，最大最小疲劳应力幅值如图6、7所示，恒定载荷曲线如图8所示，则平均应力幅值为：(86901+60715)/2＝73808Pa；
据图9所得寿命云图显示，在给定条件下的疲劳寿命为：853.64次循环。
综上所述，本发明采用谐响应分析法，只需要获取材料的基本疲劳特性数据，结合样条插值，利用仿真和简单的计算即可完成疲劳寿命分析，省去了复杂繁琐的计算，避免了大量的疲劳实验，从仿真模型的验证到结果评估的对比分析均保证了疲劳寿命分析结果的准确性；本发明利用谐响应分析法还能有效确定结构易损伤部位，有助于对易损伤部位的采取预防措施，并弹性联轴器结构的优化设计起参考作用。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (4)
1.一种用于油气管道泵的弹性联轴器疲劳寿命分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立有限元模型并通过振动加速度信号验证模型的准确性；
S2、根据材料参数添加材料的S-N曲线，输入载荷条件进行谐响应分析，确定易损伤部位；
S3、通过谐响应分析获得给定载荷下的应力-频率响应曲线，并确定应力-频率响应曲线的峰值和相角；
S4、对疲劳寿命分析得到的应力幅值进行计算，得到结构的平均应力幅值；
S5、根据仿真得出的疲劳寿命结果，结合所涉及材料的S-N曲线中的疲劳参数，利用样条插值反推得到结构的应力幅值；
S6、对比疲劳寿命分析得到的应力幅值和样条插值法得到的应力幅值，对疲劳分析的正确性进行验证，进而对疲劳寿命结果进行评估。
2.根据权利要求1所述一种用于油气管道泵的弹性联轴器疲劳寿命分析方法，其特征在于，所述S2中获取弹性联轴器所涉及的材料参数包括弹性模量、屈服强度、泊松比；且所述S-N曲线表达式为：
NSm＝A
其中，N表示循环次数，S为应力振幅(Pa)，m为疲劳强度指数，A为疲劳强度。
3.根据权利要求1所述一种用于油气管道泵的弹性联轴器疲劳寿命分析方法，其特征在于，所述S2中谐响应下的结构控制方程为：
其中，[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵，{F}为外接激励矩阵。
4.根据权利要求1所述一种用于油气管道泵的弹性联轴器疲劳寿命分析方法，其特征在于，所述S4中利用S3获得的峰值和相角条件作为Fatigue Tool模块的输入条件，对S3获得的结果进行应力-应变疲劳分析，得出构件的疲劳寿命和应力-应变云图；基于获得的结构应力结果，对最大/最小的平均节点应力进行应力幅值计算，得到弹性联轴器仿真后的平均应力幅值。
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