一种激光熔覆再制造液压支架立柱疲劳寿命预测方法

本发明公开了一种激光熔覆再制造液压支架立柱疲劳寿命预测方法，属于再制造工程中再制造零件疲劳寿命预测领域。

背景技术：

1、立柱是液压支架承受顶板压力的主要结构，受井下恶劣工作环境的影响，缸体表面容易发生镀层脱落、划伤、锈蚀等损伤，导致立柱的密封性下降进而影响液压支架的安全运行。激光熔覆是一种新兴的再制造技术，可以对表面出现磨损、锈蚀等损伤的立柱等进行修复，经激光熔覆修复的零件有着耐磨损、耐腐蚀等优点。然而激光熔覆过程会在立柱缸体靠近熔覆区域内产生残余热应力，由工程实践可知，残余拉应力的存在会影响机械结构的疲劳寿命。机械零件的疲劳破坏通常无明显征兆，危害性较高，因此对激光熔覆零件进行寿命预测有着重要意义。受到较大幅值循环载荷的结构或零件容易发生低周疲劳，即载荷极限循环次数小于105的疲劳，通常采用局部应力应变法对低周疲劳寿命进行预测，然而对于激光熔覆再制造零件，由于残余热应力的存在传统的疲劳寿命预测方法已不再适用。

2、现目前国内外研究学者对于激光熔覆再制造零件的寿命预测多通过疲劳试验得出熔覆试件与标准试件的疲劳极限，将二者比值作为疲劳修正系数，将传统方式计算的零件疲劳寿命与修正系数的乘积作为熔覆零件的疲劳寿命，这种方法仅适用于相同熔覆工艺的零件寿命预测，存在局限性。

3、部分学者将实验于计算机软件仿真结合的方法对再制造零件进行寿命预测，专利号未cn111579397a的公开文件中用实验方法测得了材料参数，基于软件方式求解应力强度因子，最后根据材料s-n曲线进行寿命预测，该方法适用于高周疲劳的预测。

4、当前基于理论分析的激光熔覆再制造零件疲劳寿命预测方法的较少，部分理论预测方法基于材料的s-n曲线，这类方法适用于高周疲劳的零件寿命预测；当前缺少对于再制造立柱低周疲劳寿命预测方法。

技术实现思路

1、对于以上不足，本发明提出一种基于残余应力修正的再制造液压支架立柱疲劳寿命预测方法，该方法以解决现有激光熔覆再制造液压支架立柱低周疲劳寿命预测理论方法较少的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、一种激光熔覆再制造液压支架立柱疲劳寿命预测方法，对立柱激光熔覆过程进行热力耦合模拟，得到残余应力结果；对立柱材料的基于manson-coffin公式的应变-寿命曲线进行修正，得到考虑残余应力的应变-寿命曲线；对立柱进行有限元分析，载荷为循环载荷幅值，得到应力应变结果；将应力应变结果代入修正应变-寿命曲线中得到激光熔覆液压支架立柱的疲劳寿命，具体包括以下步骤：

4、步骤1.采用有限元软件ansys对激光熔覆过程进行热力耦合分析，获得激光熔覆后立柱残余应力结果；

5、步骤2.采用局部应力应变法进行寿命预测，对经过熔覆产生残余热应力的立柱的材料的manson-coffin公式应变寿命曲线进行修正，获取熔覆立柱的平均应力；

6、步骤3.建立再制造立柱几何模型，采用有限元软件分析受循环载荷时的应变情况，之后将立柱材料参数、最大残余拉应力、应变结果代入基于残余应力修正的manson-coffin公式，求得疲劳寿命结果。

7、进一步，步骤1中，热力耦合分析按如下步骤：

8、步骤1.1.建立立柱基体与熔覆层的简化的三维模型，采用瞬态热模块transientthermal模块材料热物性的设定、网格划分以及热源加载；其中热源加载需要根据实际激光熔覆工艺进行设定，仿真中热源选用高斯移动热源模拟激光光源，热源相对三维模型做直线运动；

9、步骤1.2.根据熔覆工艺参数确定高斯热源中的参数，将高斯热源函数导入有限元软件ansys软件的apdl模块中生产命令流，插入到ansys workbench中对模型进行加载，运算后得到激光熔覆过程的温度场结果；

10、步骤1.3.将温度场结果作为载荷对模型进行静力学分析，可得激光熔覆后立柱残余应力结果。

11、进一步，步骤1中，高斯移动热源如下式所示：

12、

13、式中，q为热流密度；η为激光效率；p为激光功率；r为激光光斑半径；r为任意点到热源中心的距离。

14、进一步，高斯移动热源在仿真中相对三维模型做直线运动，沿着铺层方向移动，在三维模型中铺层方向为x轴；

15、其中，热源中心点位置为(x0,y0)，则：

16、

17、式中，v为热源移动速度即扫描速度，t为时间；

18、熔覆层上表面任意点(x,y)到热源中心点的距离r为：

19、

20、由以上三式可知，高斯移动热源只对光斑半径内的熔覆层加载，光斑半径之外的区域热流密度为0，即：

21、

22、进一步，高斯热源中的参数包括激光功率，热源半径，移动速率。

23、进一步，步骤2中，寿命预测步骤如下：

24、步骤2.1.针对立柱所受的非对称载荷，使用平均应力修正的manson-coffin公式获取总应变：

25、

26、式中，σ′f为疲劳强度系数；σm平均应力；ε′f为疲劳延续性系数；b为疲劳强度指数；c为疲劳延续指数；εa为总应变，n为疲劳寿命；e为材料的弹性模量，单位mpa；

27、步骤2.2.立柱熔覆过后产生残余热应力，对立柱材料的manson-coffin公式应变寿命曲线进行修正，将残余拉应力与立柱所受平均应力之和作为熔覆立柱平均应力，如下式：

28、σm＝σm0+σrmax

29、式中，σrmax为最大残余拉应力，σm0表示立柱受到内部液体压力时的平均应力；基于残余应力修正的manson-coffin公式如下式：

30、

31、进一步，立柱材料参数包括疲劳强度系数、平均应力、疲劳延续性系数、疲劳强度指数。

32、综上所述，发明具有以下有益效果：

33、本发明基于用高斯移动热源模拟激光热源，能够通过改变热源模型中的参数对不同的熔覆工艺进行仿真，适用范围广；通过有限元法对立柱进行静力学分析，可较为直观地得出立柱的危险部位及其应力应变结果；基于激光熔覆工艺引起的残余应力，对考虑平均应力的manson-coffin公式进行修正；本发明的方法可实现激光熔覆再制造液压支架立柱疲劳寿命的可靠预测，同时适用于受对称循环应力和非对称循环应力的零件疲劳寿命预测。

技术特征：

1.一种激光熔覆再制造液压支架立柱疲劳寿命预测方法，其特征在于，对立柱激光熔覆过程进行热力耦合模拟，得到残余应力结果；对立柱材料的基于manson-coffin公式的应变-寿命曲线进行修正，得到考虑残余应力的应变-寿命曲线；对立柱进行有限元分析，载荷为循环载荷幅值，得到应力应变结果；将应力应变结果代入修正应变-寿命曲线中得到激光熔覆液压支架立柱的疲劳寿命，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的激光熔覆再制造液压支架立柱疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤1中，热力耦合分析按如下步骤：

3.根据权利要求2所述的激光熔覆再制造液压支架立柱疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤1中，高斯移动热源如下式所示：

4.根据权利要求3所述的激光熔覆再制造液压支架立柱疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述高斯移动热源在仿真中相对三维模型做直线运动，沿着铺层方向移动，在三维模型中铺层方向为x轴；

5.根据权利要求2所述的激光熔覆再制造液压支架立柱疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述高斯热源中的参数包括激光功率，热源半径，移动速率。

6.根据权利要求1所述的激光熔覆再制造液压支架立柱疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述步骤2中，寿命预测步骤如下：

7.根据权利要求1所述的激光熔覆再制造液压支架立柱疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述立柱材料参数包括疲劳强度系数、平均应力、疲劳延续性系数、疲劳强度指数。

技术总结
本发明公开了一种激光熔覆再制造液压支架立柱疲劳寿命预测方法，目前对于激光熔覆零件的疲劳寿命预测多通过实验方法进行，本发明提出一种基于残余应力修正的再制造立柱疲劳寿命预测理论方法。首先对立柱激光熔覆过程进行热力耦合模拟，得出经激光熔覆后立柱基体残余应力分布结果。之后根据最大残余应力对立柱材料基于Manson‑Coffin公式的应变‑寿命曲线进行修正，得到再制造立柱的应变‑寿命曲线。最后基于有限元方法得到立柱在循环载荷下应力和应变结果，将其代入修正后的应变‑寿命曲线，得出立柱疲劳寿命。该方法可对激光熔覆再制造立柱疲劳寿命进行预测，具有良好工程实用价值。

技术研发人员：吕凯波,钟宏宇,高宏伟,庞新宇
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13