摘要 承受交变载荷的工程结构，其失效形式主要是疲劳破壞。随着计算机软硬件的高速发展，CAE工程技术的迅速普及，使研发周期和设计成本大大降低。采用有限元分析获得载荷传感器的应力分布，现场测试获得载荷谱，并将两者在MSC.FATIGUE中关联，最后获得载荷传感器的疲劳寿命。
关键词 载荷传感器、有限元、疲劳寿命
1引言
疲劳破坏是工程结构和机械失效的主要原因之一。统计结果表明，在各种机械断裂事故中，大约有50%～90%是由疲劳失效引起的。
FEM被英国人纳入其标准，作为结构应力疲劳分析的有效方法，文献表明，FEM已经成为一种在疲劳特性分析方面非常有价值的工具。1998年8月，谢菲德尔大学的X.B.Lin和R.A.Smith提出了一种精确的基于有限元的疲劳寿命计算方法，2001年6月马里博尔大学S.Glodez和J.Kramberger利用有限元进行了裂纹扩展模拟。目前FEM主要在一些比较大的企业被应用，如航天公司、汽车制造公司等均采用了该技术，并拥有许多成功案例。
载荷传感器是一种用于测试抽油机光杆载荷与位移的仪器，通过分析其测试数据可以判断井下设备故障和产液量计算等，是油田广泛采用的测试仪器之一。该仪器被安装在抽油机的悬绳器上，采用应变片测量载荷，加速度传感器测量位移。由于该仪器受交变应力作用，且24小时不停地工作，因此有必要计算其疲劳寿命。
2分析策略与关键问题
如图1所示，本文的分析策略是：先通过有限元分析获得单位载荷下载荷传感器的应力分布，然后根据现场测试所得数据转换成疲劳分析软件所需要的载荷时间历程，采用准静态法将应力与载荷时间历程在MSC.FATIGUE中关联后获得应力时间历程，最后根据名义应力法计算出疲劳寿命。本文的关键技术是获取应力与时间历程和疲劳分析所需要的载荷谱。
3应力与时间历程的获取
（1）危险构件及应力分布
载荷传感器工作时，其U型口卡在光杆上，弹性体上端面和仪器下端面固定在悬绳器上，单个弹性体工作载荷一般不超过47KN。本文采用ANSYS进行应力分析，弹性体载荷为1KN，由于载荷传感器结构对称，由两个弹性体承载，为节约计算时间，本文采用对称建模，计算时在对称面施加对称约束。虽然最大应力发生在弹性体上，但壳体材料（ZL101）的许用应力和疲劳极限强度要远小于弹性体的材料（50CrVA），因此，本文将壳体视为危险构件，主要计算壳体的疲劳寿命。
（2）疲劳分析所需载荷谱
5疲劳寿命计算
最后根据上述所得数据，导入到MSC.FATIGUE中，计算得出载荷传感器的疲劳极限分布图，计算结果表明壳体在一个周期载荷作用下至少可以承受2.175×106次循环加载，满足设计要求。
6结论
本文采用有限元分析软件Ansys计算出载荷传感器在单位载荷作用下的应力分布，根据现场测试所得数据，利用MSC.FATIGUE中PTIME编辑器获取载荷谱，最后计算出载荷传感器的疲劳寿命，为工程应用提供借鉴。
参考文献：
［1］疲劳寿命预测方法的研究现状与发展［J］.航空制造技术，2005，（12）：80－84.
［2］基于虚拟样机技术的70t级新型通用敞车抗疲劳设计［D］.大连交通大学硕士学位论文，2008.1－4.