液压缸性能随着裂纹仿真而增强

就像人的手臂有着相互连接的骨骼、肌肉和肌腱一样，移动土方设备的部件必须由一系列复杂的部件组成，才能完美地同步运行。推土机流体运动的关键是一组液压缸，它们位于臂杆、臂和铲斗上，充当执行器，将液压能转换为机械能。每个汽缸筒(外壳)都装有压力油，通过传递压力来移动活塞，每个汽缸筒(外壳)都是无缝钢管设计，以抵抗高次数的工作循环所带来的疲劳。

带液压缸的推土机吊杆，手臂和铲斗。

但是，操作员错误，意外铲除碎片落下的偶然影响是在作业网站上的正常出现。因此，Tenaris是世界各地的地球机械制造商的无缝管供应商，致力于预测此类事件的大量研发资源。通过研究广泛的运营和环境压力对气缸的使用寿命，TEARIS可以进行微调材料设计，以最好地容忍这种极端，每年全球成千上万的机器运营商提高安全性。

“失败模式和管道破裂可能发生的限制负荷极为重要，以识别，”达尔姆林州达尔姆州达尔姆（Tealis）Intalial，Italy的Tenaris R＆D中心结构完整性部门的研究员Mihaela Cristia。“我们的OEM客户正在寻找高屈服强度，因此断裂韧性是确保完整性和安全性的关键参数。”

骨折韧性在“突破前的泄漏”行为中起着关键作用，以避免突然，脆性骨折的危害，称为Cristea。“在所有情况下，延展性裂缝或裂缝通常是优选的，原因通常是优选的。与脆性骨折不同，这在没有警告的情况下迅速发生，韧性材料塑性变形，减慢裂缝过程并提供行动的时间窗口。“

特别是在液压缸应用中，可变负载会导致疲劳，环境可能非常恶劣(低温降低断裂韧性)，理想的外壳结合了高拉伸性能和良好的韧性抗疲劳性能。为了达到这些材料目标，Tenaris一直在开发新的高韧性(HT)等级的钢，他们可以用这些钢制造具有更好的韧性和强度组合的冷拔精密管材。

液压缸在正常工作时的主要应力来自油产生的内部压力。这是更大的围绕圆周的管(环应力)比沿其长度(纵向应力是大约一半的环应力)。因此，当Tenaris开发新材料时，他们希望最大限度地提高周向屈服强度。此外，他们还需要证明每种材料也能承受在工作现场意外发生的大范围物理应力。Cristea说:“钢管的外表面会出现严重的缺陷，这些缺陷会引发疲劳裂纹。”

超载(左)和意外掉落的碎片(右)是工作中影响液压缸的常见应力诱发条件。

为了证明其产品的性能和质量，Dalmine研发中心多年来一直对其液压缸产品进行广泛的全尺寸测试。这一过程首先要对管材进行详细的力学表征和断裂测试。然后采用电火花加工的方法在全尺寸管的外表面制造人工缺陷。然后将管子预裂到不同的深度，盖上盖子，并冷却到零下20摄氏度。最后，用酒精和水的混合物对它们加压(在管子内插入铝填充棒，以占用空间，从而避免在爆裂时释放大量高压流体)，并进行爆破试验。

Dalmine研究员Marco Spinelli说:“通过这个‘构建和中断’测试程序，我们已经能够向客户展示我们产品的性能，以接近组件的真实服务行为。”“但测试方案很复杂，而且相当昂贵。我们想知道数值模型是否能够有效地复制我们的实验结果，降低我们的成本并节省我们的时间。”

因此，该团队转向了Abaqus统一有限元分析(FEA)，从达索Systèmes ' SIMULIA品牌，以真实模拟他们的断裂韧性测试制度。他们已经熟悉了有限元分析的力量，将其用于焊接接头应用的应力分布分析和复杂构件的结构分析。Spinelli补充道:“Abaqus软件应用套件在我们研发中心的产品设计中得到了广泛应用，这主要得益于其预处理和后处理的优势。”“我们觉得我们手边有工具来深化我们对新材料性能的研究。”

高韧性钢爆发试验和ABAQUS /显式模型（左上级和下部）和低韧性钢和ABAQUS /明确（右上级和下部）。

由于他们已经录得很大的真实的真实测试数据，因此该组能够使用在其上识别的材料定义，几何形状，裂缝尺寸，边界条件和突发压力来创建非常精确的FEA模型。以前的实验。虽然重点在HT材料上，但还检查了低韧性材料模型，以评估软件的整体性能以预测失败。TEARIS团队决定尝试在ABAQUS的两种方法进行3D裂纹模型：延展性/骨折在明确的和ABAQUS /标准中的新扩展有限元方法（XFEM）能力。

在Abaqus/Explicit中，该团队发现他们可以利用管对称创建1/8的模型，并减少模拟时间。压力被施加到模型的内表面，从零上升到爆裂(1600巴)。裂纹发生被雇佣的元素删除模拟信号时,塑性应变在一个特定模型的一部分达到了临界值之前通过现实世界的破灭测试:确定失效准则时遇到了对于一个特定的元素,该元素模型的退出,留下一个空间。一系列连接的、删除元素的空间创造了裂缝的外观。

显式仿真现象基本上是静态的直到初始裂缝的开口，之后分析变得显着变性。正如在真实测试的情况下，当材料是HT钢和带有低韧性钢的脆性失效模式时，模型表明了更理想的延展性失效模式。“当我们与真实测试中的模拟进行比较时，我们的效果很好，预测我们调查的病例的失败模式，”克里斯特省表示。

这是传统的构建和断裂方法在行动中;显示：A冲击试验机中的液压缸．

在一系列Abaqus/Explicit建模练习之后，团队使用XFEM运行了最终的测试用例。作为Abaqus Unified FEA套件的一个相对较新的成员，XFEM允许模拟沿任意路径的裂纹扩展，甚至在有限元模型中跨越单元边界。基于解独立的裂纹萌生和扩展路径，XFEM不要求网格符合几何间断，因此在裂纹尖端附近需要较少的网格细化。

Cristea说:“我们使用XFEM获得了与延性损伤模块相似的结果。“未来，在Explicit代码中实现XFEM功能将进一步发展该方法。”

他们对使用有限元法进行裂纹预测的研究已经对Tenaris的研发工作流程产生了积极的影响。“我们的目标是减少长时间和昂贵的全尺寸测试的数量，”Cristea补充说。“通过模拟，我们能够建立影响组件在役行为的不同因素的相对权重，并更快地得出实验室结果的解释。在我们处理已经经过实验验证的重复案例时，FEA为我们提供了一个强大的替代工具来预测结果。”

Dassault Systemes.
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