[发明专利]一种秸秆抛送叶轮疲劳寿命预测方法

说明书

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。

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：