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摘要：機械零部件的再制造是使用現代化的技術，對退役的零部件再次修復和利用。再制造工程中最重要的部分就是對再制造材料壽命的評估，其直接決定再制造的可行性。本文研究了一種基于有限元分析的再制造機械零件剩余壽命預測算法，并結合再制造實例對壽命預測進驗證。
關鍵詞：零部件；壽命；材料
0引言
隨著大量到達使用年限的機械產品的退役，退役零部件的再次利用就是目前急于解決的問題。一些退役的機械零部件還沒達到其材料的使用壽命，零部件的報廢處理，會造成很大的資源浪費。再制造工程可將退役的零部件材料重新設計并進行修復、改制或者降級使用。但首先要解決的問題就是對再制造材料剩余壽命的評估，研究其疲勞壽命是否達到極限值，再制造壽命的評價就成了關鍵難點。對再制造機械零部件急需解決的壽命預測問題的研究，很有重要實際意義。
1再制造壽命評估的研究現狀
雖然有大量科技工作者的研究投入和研究成果的應用，再制造零部件壽命的評估研究仍屬于較新的工程領域，國內給的研究仍有很多課題需要完善。張書珍借助ANSYS三維設計軟件，采用裂紋效應理論，3D擴展算法對某工程機械進行剩余壽命評估[1]。張國慶利用單軸損傷模型，對曲軸進行有限元分析，建立了一種壽命預測模型[2]。郭孝敏以數值仿真的結果為基礎，以BP神經網絡為理論支撐，建立可再制造評價體系，驗證其方法在剩余疲勞壽命預測中的可行性[3]。陳旭峰引入主動再制造設計思想，采用等價壽命方法進行再制造的優化[4]。目前的研究手段，大部分都是以ANSYS設計軟件作為研究平臺，以有限元的分析結果，作為源頭數據或者參考對比值。這種研究方式，非常直觀準確，再結合一些輔助手段，評估結果較為可靠。目前再制造壽命的研究都是采用某種科學理論的方法，對再制造材料進行剩余壽命的計算，以及目前綜合狀態的判斷。再結合數值模擬仿真，進行結果的優化，得出最優的再制造方案，最終總結出一套再制造壽命評估模型。但同時，在采用理論基礎時，往往沒有考慮再制造零部件實際的使用環境因素，造成預測結果也會存在偏差。其次，對再制造零部件僅處于評價和預測的階段，沒有對特性、參數進行全面的再設計。再則，目前零部件原材料的物理性能質量有高有低，研究時應在對原材料的檢測的基礎上進行，比如，先對原材料進行物理性能分析，以及無損檢測，將檢測和分析數據作為一個影響因素進行評估。
2再制造壽命的評估理論
影響零部件再制造壽命的因素很多，對疲勞壽命評估也很復雜。再制造零件的初始材料和使用環境，以及使用過程中的受力情況等等，都會影響再制造零部件的壽命。其壽命是由最薄弱處的材質壽命決定的，其中，零部件材料的裂紋情況，對再制造壽命影響極大。也因此基于裂紋效應，建立了一種壽命預測方法，也是目前研究和采用最廣泛的一種方法。對再制造零部件壽命評估技術路線，大致可以歸納為兩種，一種是基于再制造材料疲勞壽命的研究，另一種是基于再制造材料裂紋效應的研究。當然，這兩種評估方法都是借助于實驗數據或者使用環境的參數設計，再結合計算機輔助設計技術進行有限元的計算。大部分壽命預測都是采用疲勞壽命的評估方法，但這種方法往往太過于理論，與實際情況不太符合。而裂紋效應的評估線路，更能體現使用時的現狀。
2.1再制造壽命評估的影響因素
再制造零部件壽命評估是個綜合性的學科，其需要結合多種學科知識，涉及工科和理科的交叉融合。影響零部件再制造壽命評估的因素復雜，大致歸納起來有原材料本身的物理性能、材料基本現狀、零部件的使用環境和目前零部件疲勞強度的剩余值。首先原材料的物理性能里材料的化學成分和內部缺陷是壽命評估的基礎，影響也最大，不同的材質使用壽命相差甚遠，材料的金相組織和缺陷情況，決定了這個材質的質量高低。即使其他相同，材質的纖維方向也會影響壽命的評估。其次，材料的基本現狀包括零件部基本尺寸、熱處理情況和光潔度等。零部件基本尺寸影響材料的疲勞壽命，尺寸大小和疲勞強度成反比。材料的表面光潔度值越低、材料表面越平整，加工紋路越小，應力不容易集中，這樣就提高了材料的疲勞壽命。所以，一般使用要求越高的零件，光潔度要求越高。調質熱處理可以明細提高材料的強度，退火可以有效去除內部應力，熱處理狀態也是影響因素。再次，零部件使用環境中的溫度和濕度，會加快材料的腐蝕，腐蝕降低材料的機械疲勞性能，降低材料的橫截面承受負荷的能力。承受載荷的變化的程度，影響材料疲勞強度的變化特性。材料承受的載荷變化頻率和幅度較大時，其疲勞強度就會降低。在零部件長期使用中，其疲勞壽命根據使用情況會不同程度地降低，所以準確客觀地評價出其剩余疲勞壽命也是很重要的因素之一。再制造零部件選取時一般要選取材質內部質量無改變、無裂紋、無較大變形、無殘余應力的零部件，這樣可以保證其再制造質量和壽命。
2.2再制造壽命評估方法
由于零部件的參數有時不能精確的檢測，其評估方法也是個繁重的工作，結果也要相互驗證?；诓煌睦碚?，再制造零部件壽命的評估方法有不同的幾種，其中應用較多的是名義應力法，該方法實際上是以構件應力和應力集中因子KT為參數的傳統疲勞壽命估算方法，是基于無缺陷材料的累積疲勞損傷理論。材料受到的載荷超過材料的極限時，就會產生損傷。積累到一定程度，材料就會產生破壞而報廢。該評估方法，未考慮零部件表面狀態的情況，比如表面裂紋或者內部缺陷等。這樣就導致評估的結果過于理想化，對于重復使用的零部件，其壽命評估準確性也就有了一定的折扣。另外還有一種是局部應變法，這種方法是基于材料的應力與變形，考慮多方向的變化載荷，累積計算疲勞總壽命。適用于低頻疲勞的單一零件預測，缺點是沒有考慮表面狀態和尺寸。還有一種是裂紋擴展壽命方法，種方法假設零件中的裂紋已經存在，并使用裂紋動力學理論分析或實驗驗證等方法來確定裂紋是否擴展到臨界尺寸。該方法主要考慮了裂紋缺陷的影響因素，壽命預測也更接近于實際情況。以上方法在不同的領域都得到不同程度的應用，較為簡便是名義應力法，但相對結果不太準確。裂紋擴展法雖然考慮了裂紋缺陷等，但不適用于變載荷的場景。因此，有限元方法的引入，與基礎理論的結合，可以一定程度改善評估的準確性。
3疲勞壽命的有限元算法
疲勞壽命評估一般使用基于有限元的方法。有限元疲勞算法（FEA）基于比傳統疲勞壽命計算方法更少的實驗數據，可以獲得更準確的結果，并且可以通過軟件方便、快速、準確地進行分析。有限元法首先根據工作載荷、零件的幾何參數和受約束的連接計算動態應力應變響應，然后使用另一個疲勞損傷模型通過壽命計算來計算疲勞壽命。壽命計算步驟及公式：首先，選擇疲勞損傷模型。根據施加到零件上的載荷性質選擇合適的疲勞損傷模型。對于彈性構件和高主疲勞，選擇“應力壽命模型”。對于塑料零件，低周疲勞采用應變壽命模型，多軸疲勞損傷模型適用于能承受多軸載荷但不能被單軸載荷減少的零件。然后，選擇合適的模型后，根據載荷特性選擇計算載荷彈性應力的方法，采用有限元法計算參數。壽命計算公式：（1）（2）
4壽命計算實例
以某工程機械再制造的絲杠，進行再制造壽命的評估和驗證。4.1有限元壽命分析該絲杠材質為45，調質處理。螺紋牙型為T形，螺紋為右旋，公稱直徑為150mm，螺距為8mm。用UG軟件建模后，再ANSYSWorkbench進行網格劃分、材料參數輸入、邊界條件設定后，在Solution中進行求解。得到該絲杠的再制造疲勞壽命最小處為1195.5。結合工廠數據，換成時間標定，以該絲杠每月的使用次數為30次，則換算成使用時間為：1195/（12×30）=3.3年。
5結語
在本文中首先研究了再制造零件的壽命評估的研究現狀，探討了理論基礎，并對比了各理論的優缺點和使用場合，結合ANSYS有限元仿真分析，計算了某工程零件的再制造疲勞壽命。通過此思路對壽命評估的研究，很有實際意義。
參考文獻：
[1]張書珍.退役挖掘機工作裝置動臂剩余壽命評估[D].湖北：華中科技大學，2018，36（1）：21-28.
[2]張國慶.零件剩余疲勞壽命預測方法與產品可再制造性評估研究[D].上海：上海交通大學，2019.
[3]郭孝敏.面向再制造截齒的有限元分析及疲勞壽命預測[D].山西：中北大學，2019.
[4]陳旭鋒.面向再制造的工程機械關鍵零部件等壽命設計[D].陜西：長安大學，2018.
作者:趙蓉 單位:甘肅有色冶金職業技術學院
