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1、目 录第1章 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 失效分析的发展简况 2 1.3 本课题的背景和意义 3第2章 失效分析的方法 42.1 失效分析的概况 42.2 常用失效分析及技术 62.3 系统分析方法11第3章 拐轴的断裂原因分析 14 3.1 实验结果与分析 15 3.2 PRO/E建模 19 3.3 ANSYS分析 20 3.4 拐轴的优化设计 23 设计心得 25 参考文献 27摘 要 我的设计课题是T108吨自卸车拐轴的断裂失效分析及优化设计本文通过对拐轴轴化学成分、宏观、微观及力学性能等方面的一系列实验，失效分析技术是指在各种失效分析方法中具体所采用的分析技术和手段。对失效分析
2、对象而言，失效分析技术从总体上可分为非破坏性和破坏性失效分析技术，具体可分为：感官检查诊断技术、痕迹发现技术、断口和裂纹分析技术、化学成分分析技术、性能测试技术、无损检验技术、宏观残余应力测试等。分析出该轴的断裂原因，在此基础上，利用PRO/E软件对泵轴进行了较全面的有限元分析及优化设计，不但验证了实验分析的正确性，而且提出了合理的改进方案。我们通过对自卸车拐轴轴的宏、微观分析和结构分析，了解该轴的应力分布情况，找出应力集中部位，分析该系列轴断裂的原因,在此基础上充分利用PRO/E技术进行进一步的应力分析,以验证宏、微观分析结果,再利用PRO/E技术进行轴的优化设计,达到改进轴的目的仍然采用A
3、NSYS软件进行轴的优化设计，在建模中，由于要进行有限元分析，为减少小尺寸的影响，一些不重要的倒角、倒角可以省略，此外，拐轴的实际受力过程是不断运动的，为便于分析起见，在受力等效的原则下，通过施加约束转化为一个静力分析模型。并对所做的优化结构进行分析验证，达到减少应力集中，提高零件及设备的使用寿命。这样既能保证设备的正常使用，提高工厂的经济效益，有很高的实用价值，而且为轴失效问题的分析可提供有效的参考资料。关键词 失效分析；断裂；有限元；PRO/E；拐轴第1章 绪论1.1 引言 在很久以前，人们对产品失效就有了宏观认识。产品失效真正给人类带来严重的危害，则是从100多年前的英国工业革命开始。当
4、蒸汽机动力和大机器生产给人类社会带来巨大进步的同时，产品失效也给人类带来了前所未有的灾难性事故。因而1862年，英国建立了世界上第一个蒸汽锅炉监察局，把失效分析作为法律仲裁事故和提高产品质量的技术手段。随后，在工业化国家中，对失效产品进行分析的各种机构相继出现。 随着科技的突非猛进系统和设备日益复杂，功能不断提高，其不可靠和不安全因素增多，导致故障的原因也增多，因而对故障的分析研究工作亦越来越受到世界各国的关注。工业的发展、技术的进步正是人们不断与产品失效做斗争的结果，这在航空和航天事业的发展史中表现尤为突出。因为即使航天飞机这么先进的运载工具也可能发生故障，如美国的价值12亿美元的“挑战者”
5、号航天飞机，在1986年1月28号第11次升空时突然爆炸，使7名宇航员遇难，这一惨痛悲剧再次告戒人们忽视产品失效问题将带来灾难性的恶果。任何一次失效都可以看成是产品在服役条案件下所做的一次最真实做可靠的学实验的结果；通过失效分析判断失效模式，找出失效的原因和影响因素，也就找到了薄弱环节所在，从而改进有关部门的工作。提高产品质量。失效分析是可靠性工程的技术基础之一；是安全工程的重要技术保障之一；是维修工程的理论基础和指导依据；可产生巨大的经济效益和社会效益。因而开展失效分析工作是非常有意义的，其重要性一般包括以下几个方面：1.可以保证产品的可靠性，减少由于设备失效造成的人身伤亡和直接的经济损失；
6、2.可以从中吸取大量的经验教训以利制定和完善产品质量管理的有关文件、标准和规定、是产品质量管理的一个重要环节；3.有助于及时“吃透”国外先进技术、提高引进速度和效率；4.通过对进口设备的失效分析可以向外商提供索赔依据或技术仲裁5.可以使设备维修工作建立在失效分析的基础上，从而取得良好的事 故预防；6.失效分析的结果也是现行技术的规范、规程和标准的实用性的实地检验，可作为修订和制定文件的依据；7.失效分析的头脑国际资料是指定科技开发规划和经济发展规划的重要依据，失效分析可以为各级人员正确处理现场技术问题提供科学的依据。在我国，由于长期的历史原因，现有设备超期服役带病运行相当普遍，有相当一部分设备
7、存在各种结构缺陷、工艺缺陷、加工缺陷、制造缺陷、材料缺陷和使用不当产生的裂纹或损伤腐蚀介质影响或长期超载运行等，或盲目使用这些设备而不及时采取措施进行监控和预防，必将发生事故，因而，为了尽量减少事故的发生，需要进行失效分析的研究。目前关于失效分析的研究比较多，他们大多采用传统的宏观、微观分析法对失效的原因进行分析，本文首先也将采用宏观、微观对T108吨自卸车拐轴进行失效分析。1.2失效分析的发展简况长期以来，人类在生产实践中不断与产品失效作斗争，但失效分析仅作为零星、分散、宏观的经验世代相传。失效分析作为一种学科分支还是近半个世纪的事情。材料科学的兴起、先进测试技术的应用以及近代物理、化学等的
8、全面发展，使得人民能够从微观方面阐明产品失效的本质、规律和原因。在此基础上，失效分析走上系统、综合、理论化的新阶段。近半个世纪所积累的失效分析知识与技术千百倍于人类前期有关知识的总和。但这种知识必然随着人类生产实践和科技进步而不断发展。虽然由于科技的发展，产品在设计、生产、使用与维修上的技术改进，似的产品的可靠性日益提高，然而，失效事件并不会消失。而且，产品的自动化程度愈高、技术愈密集，一旦出现失效，造成的损失就愈严重。因此失效分析将随着科技的高速发展显得更为重要。 远在1862年英国建立世界第一个蒸气锅炉监察局时，失效分析就被作为法律仲裁产品质量事故的技术判断手段。在1938-1945年间，
9、美国质量管理学会发起“失效废品检验规划”，号召生产企业把失效分析作为重要环节纳入质量管理系统。在四十年代末和五十年代初，为解决电子产品失效问题而发展起来的可靠性理论使失效分析进入到一个新的阶段。到六十年代，人们更开始了机械设备系统可靠性理论的研究。近年来，失效物理和失效分析在这种认识推动下，也得到了很大的重视和发展。失效分析推动科学技术进步，促进国民经济健康发展，提高机械产品质量，在国民经济中有重要作用和意义。1.3 本课题的背景和意义。 此课题研究的拐轴是某厂108吨自卸车上一部件，在此称为主轴。我们从设计图纸上了解到主轴的结构，按使用情况我们在主轴（拐轴）尾部接上管子，然后通过焊接用一个外
10、径为450，内径为374，总长为1946的圆管约束，约束位置在离圆管端部418处，主轴端部离中心线472。第2章 对自卸车拐轴进行失效分析的方法2.1失效分析的概况2.1.1失效分析的基本概念 所谓失效，按照国家标准GB3187-82可靠性基本词术语及定义，就是：“产品丧失规定的功能，对可恢复产品通常也称故障”（12）。为了研究失效的原因，确定失效的模式或机理，并采取补救或预防措施以防止失效再度发生的技术活动与管理活动，叫做“失效分析”（12，13）。因此失效分析是可靠性工程的重要组成部分，也是保证产品可靠性而需建立的反馈系统的重要环节。 失效分析是一门涉及系统分析、系统安全、产品设计、材料力
11、学、断裂力学、断裂物理、断口学、材料学、测试技术、金属学、金属工艺、强度计算、产品质量全面管理等众多领域的综合学科，它包括三个方面： 1事前故障的预测技术，如可靠度计算、故障率评价和可靠性分析法（故障树分析FTA，故障模式和影响分析FMEA，事件树分析ETA）； 2事中故障诊断技术（应力定量化技术、故障检测及故障征兆诊断技术、设备或系统强度、故障性能定量化技术及劣化定量化技术等）； 3事后失效分析（寿命预测技术、故障机理、失效模式的测定技术、失效评定的标准、维修技术等）。 上述事后分析也既是失效分析或故障分析，是指事故或鼓掌发生后的检测和分析，以便找到失效的部位、原因和机理；掌握产品的改进线索
12、或修复方法，防止问题重复发生。近年来，失效分析工作还注意了反馈与发展，在工况与质量上做了不少工作，从事前分析、事后预防发展到事中监控。2.1.2失效的主要来源及模式 失效经常是由多方面原因造成的，其主要来源包括设计、选材、材料缺陷、制造工艺、再加工、组装、检查、试验、质量控制、贮运、工作条件、维修工作中预先未暴露的过载以及机械或化学的损伤等。 1设计上的缺点：机械缺口、改变设计、零件的是升级使用、设计判据不充分等。 2材料选择上的缺点：拉伸试验数据不准确。 3材料中的缺陷：铸件（冷隔、夹杂物、疏松、空隙和缩孔是铸件特有的）铸件（折叠、接逢、收缩、空洞和锻造流线花样为锻件特有的）。 4加工中存在
13、的问题：各种冷热加工中的问题。 5装配中的失误：操作人员的疏忽行为、装配规程不完善、对中不良。 6不合理的服役条件：启动、停车、维修不当。 失效模式是失效的外在宏观表现形式和过程规律。金属构件的失效模式可分为断裂、表面损伤和过量变形这三大方面。具体的说，机械失效的主要模式如表2.2。表2.2金属部件的各种失效模式过量变形1）力和温度或者力或温度引起弹性变形；2）屈服；3）压痕；4）蠕变；5）冲击变形表面损伤1）磨损a。粘着磨损；b。磨粒磨损；c。腐蚀磨损；d。点腐蚀；e。冲击磨损；f。微振磨损；g。接触疲劳磨损；h。剥落。2）腐蚀a。均匀腐蚀；b。缝隙腐蚀；c。电池作用腐蚀；d。点腐蚀；e。晶
14、间腐蚀；f。选择侵出；g。冲蚀；h。气蚀；i。氢损伤；j。生物腐蚀；k。应力腐蚀；l。微振腐蚀断裂1）延性断裂2）脆性断裂3）冲击断裂4）疲劳断裂a。高温疲劳；b。高周疲劳；c。低周疲劳；d。热疲劳；e。接触疲劳；f。冲击疲劳；g。腐蚀疲劳；h。微振疲劳5）应力持久断裂6）蠕变-疲劳复合断裂2.2常用失效分析及技术2.2.1常用失效方法(失效分析的一般程序与步骤)1.失效分析的思路 失效分析思路是对于已经发生的事故考虑从什么地方开始,沿着什么样的程序去分析研究故障现象的因果关系,确定事故原因,完成分析任务.断裂分析思路一般是:断裂失效事故-故障件裂纹或断口分析-力学性能分析-显微组织分析-结构受力分析-使用维护分析.必要时可进行工艺分析、材料成分分析、环境分析、相结构分析和残余应力分析。2.断裂失效分析的一般程序断裂失效事故残骸的拼凑及分析事故的现场调查首先破坏件的分析结构受力应力状态的分析工作状态的分析材质性能及组织分析裂纹和断口的分析正在使用件的调查分析破坏过程和机理分析
