液压破碎锤冲击过程是一个典型的二元冲击系统，活塞不是直接撞击工作介质，而是通过弹性杆将能量传递给工作介质。当活塞以一定的冲击末速度撞击钎尾，并将若干能量以应力波形式和一定的波速，由钎柄沿着钎杆向钎头方向传播。物理实质是将一长时间作用的力转化为一脉冲力，这一脉冲力可在瞬时提供足够高的应力幅值，用来破碎岩石。钎杆作为能量传递的器具，受力状况尤为恶劣，常出现早期强度不足和疲劳断裂等不同原因的 失效。

　　本文利用有限元软件SolidWorks Simulation对一型号钎杆建 立了有限元模型，在对其静力学分析的基础上进行结构优化和疲 劳分析，确定出合理的几何参数和寿命周期，设计的结果为液压 锤合理匹配钎杆提供依据。

   一、结构及工况简介

　　1.初始结构

　　钎杆初始结构尺寸如图l所示，所选用的材料是42Cr Mo，其主要参数性能为：弹性模量E=212G Pa，泊松比u=0.28，屈服强度σs=930MPa。

　　2.工况及设计要求

      由于液压锤的活塞和钎杆都属于大尺寸结构件，尺寸愈大的构件其发生微裂纹扩展的概率愈大，根据疲劳强度统计理论，在强度校核中应考虑尺寸影响系数，算出当量应力值。尺寸影响系数为：式中——构件直径比;n ——材料常数。考虑尺寸影响的当量应力值经计算

由于钎杆在使用过程中，会出现不同的使用工况，本文只对钎杆在垂直于工作对象的状态下进行静力学分析，所以要求在工作时承受应力不得 超过许用应力320MPa，安全系数大于等于3。此外，在满足强度的前提下，获得优结构尺寸和重量，以满足经济性的设计要求。

　　3.有限元模型

　　静态研究阶段所关注的重点是零件所承受的大应力和设计 安全系数。在SolidWorks软件状态下，启动SolidWorks Simulation 程序，建立静态研究算例，并设置结算器为Direct sparse，按工 况要求添加材质、约束及压力，并进行网格化分。为了保证计算的精确度，本文中采用四面体网格，网格的大小为9.449mm，共计

　　50,149个单元。运行静态分析模块，获得钎杆的应力、设计安全 系数，如图2所示。由图2可知钎杆承受大应力为284M P a，小于 材料的屈服强度;设计小安全系数为3.27，满足设计要求。

   二、优化设计

　　优化设计的目标就是在保证模型约束条件的前提下，尽可能 使模型达到质量轻、体积小、形状合理、成本低，以及大限度减缓应力集中现象等。在大多数情况下，优化研究是求解非线性 约束问题，可统一用如下的数学模型来描述。

　　在该几何模型的优化设计中，优化目标函数是钎杆的小 重量，即：m inf (X)=minG(X)。参考国外同类产品的设计参数，将设计变量X选用四组，第一组为钎杆小直径Φ65mm处，此处为钎杆销固定位置，约束条件为：60≦d1≦70;第二组为钎杆下部的长度(即图1中775mm)约束条件为：600≦l1≦800;第三组为Φ77mm 过渡到Φ65mm的台阶长度，约束条件为：55≦l1≦70;第四组为过渡圆角，约束条件为：10≦R1≦20。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。

　　从图4可知，优化后的钎杆承受大应力为296MPa，小于零 件的屈服强度;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。

   三、疲劳寿命估算

　　疲劳寿命是指机械结构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，在局部的高应力处，弱及应力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，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;后再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SolidWorks Simulation，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)，周期为1000。在有限元模型中添加材料属性中带SN的42Cr Mo材料进行分析，即基于双对数的疲劳曲线被载入，后勾选“vonMises”(对等应力)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，钎杆优化前后小生命周期分别为3.445x105和8.448x105，每周期1000个冲击循环，可知液压锤工作频率约为800次/分，计算出该钎杆的寿命：3.445x105x103/(800x60x24)=299(天);

　　8.448x105x103/(800x60x24)=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同时得到了验证。

   四、结论

　　本文以钎杆为例，通过有限元软件Solid Works 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，预测的寿命与实际有较好的一致性。经过实际工程中的应用，优化后的钎杆在强度和使用寿命上都有了显著提高，减轻了重量，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。