图2  钎杆初始结构静力学分析结果

2、优化设计

优化设计研究的目标就是在保证模型约束条件的前提下，尽可能使得模型达到质量轻、体积小、形状合理、成本低，以及最大限度的减缓应力集中现象等。在大多数情况下，优化问题是求解非线性约束问题.可统一用如下的数学模型来描述:

 (X), ; 满足:(X)  

式中：(X)，-约束条件；X-设计变量；

在该几何模型的优化设计中，优化目标函数是钎杆的最小重量，即：。参考国外同类产品的设计参数，将设计变量X选用四组，第一组为钎杆最小直径,此处为钎杆销固定位置，约束条件为：；钎杆下部的长度（即图1中775mm）约束条件为：第三组为，约束条件为：第四组为过渡圆角，约束条件为：。应力范围：,安全系数n≥3；经17次优化迭代获得了收敛，四个设计变量在迭代过程的变化趋势如图3所示，优化后的结构尺寸和静力学结果如图4所示。

 图3  设计变量的变化趋势

从图4可知，优化后的钎杆承受最大应力为296MPa，小于零件的屈服强度；最小安全系数为3.14，同样满足设计要求。经优化后的钎杆重量由初始的52.96Kg减小到当前的42.16Kg,重量减轻了20.3%，取得了较高的经济效益。

3、疲劳寿命估算

疲劳寿命是指结构或机械直至破坏所作用的循环载荷的次数或时间。疲劳破坏的过程是：零部件在循环载荷作用下，在局部的最高应力处，最弱的及应力最大的晶粒上形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展，最终导致疲劳断裂。目前疲劳分析的方法主要有三种：名义应力法、局部应力应变法和损伤容限法。名义应力法主要用于对弹性变形居主导地位的高周疲劳，局部应力应变法主要用于对塑性变形居主导地位的低周疲劳。SolidWorks Simulation软件对于单个零件疲劳分析是基于名义应力法的，其分析过程首先根据载荷谱确定零件危险部位的应力谱；而后采用材料的S-N曲线，经过计算结构危险部位的应力集中系数，结合材料的疲劳极限图，通过插值将材料的S-N曲线转化为零件的S-N曲线；最后再根据由载荷谱确定的应力谱根据Miner线性损伤累积规则计算零件的寿命。

   在SolidWorks环境中激活Simulation(09版改名），建立疲劳算例后，将有限元分析的算例作为恒定振幅疲劳事件添加，负载类型基于零（LR=0）周期1000。在有限元模型添加材料属性中带（SN)的42CrMo材料进行分析，即基于双对数的疲劳曲线被载入，最后勾选对等应力 (vonMises)和Soderberg 方法选项后，分别对优化前后的钎杆运行疲劳算例，得到钎杆的生命周期如图5所示。

根据图5可知钎杆优化前后最小生命周期分别为3.445，每周期1000个冲击循环，由于可知液压锤工作频率约为800，可以计算出该钎杆的寿命：3.445=299天和8.448=733天，可以看出通过结构优化后钎杆寿命显著增加，这也在我们的生产实践中得到了验证。

4、结论

本文以钎杆为例，通过有限元软件SolidWorks Simulation进行结构的优化设计和疲劳寿命分析。不仅提高了产品的设计效率，而且也改善了产品的性能，预测寿命与实际有较好的一致性。经实际工程中应用，优化后的钎杆在强度和使用寿命上都有了显著提高，重量也减轻了，取得了很好的经济效益，也为其他规格的液压锤合理匹配钎杆提供了理论依据。

5、参 考 文 献

[1] 叶修梓,陈超祥.SolidWorks Simulation基础教程：SolidWorks SimulationWorks Professional[M].北京:机械工业出版社,2008.

[2] 赵统武,洪达灵,黎炳雄.钎杆的工作载荷谱和疲劳寿命估测[J].钢铁,1983.18(7):41-45.

[3] 甘海仁,赵统武.冲击锤的工作应力和能量传递分析[J]. 凿岩机械气动工具,2007(1):18-23.