撿膜彈齒疲勞壽命的仿真分析

2013-06-15 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

進入21世紀,人們對傳統(tǒng)的強度(靜載荷作用,無缺陷材料的強度)已有充分地認識,工程中強度設計的實踐經(jīng)驗和積累也十分豐富,對于傳統(tǒng)強度的控制能力也大大增強,然而由疲勞與斷裂引起的失效仍是工程中予以關注的問題。隨著斷裂力學的迅速發(fā)展,不僅促進了斷裂控制方法的進步,更使人們較深入地認識了材料與結構中疲勞裂紋的擴展規(guī)律,促進了抗疲勞設計技術的發(fā)展。在各工程領域應用疲勞與斷裂的研究成果,發(fā)展工程適用的抗疲勞、抗斷裂實用設計技術,將是21世紀設計水平提高的重要標志之一。MSC.Software為實現(xiàn)此技術提供了有限元計算分析軟件。本文采用一種預測結構件疲勞壽命的新方法—疲勞壽命數(shù)值仿真分析方法,在計算機虛擬的現(xiàn)實環(huán)境下,以計算機輔助設計(CAD)、有限元法(FEM)等為基礎,通過動力學仿真計算,得到撿膜彈齒的動應力函數(shù),根據(jù)這些動應力分布情況,運用MSC.Fatigue疲勞仿真計算分析軟件,對撿膜彈齒進行疲勞壽命分析與優(yōu)化設計.

一、疲勞壽命分析的理論依據(jù)

MSC.Fatigue中的疲勞壽命分析是以斷裂力學為基礎。裂紋擴展的驅動力是應力強度因子,它涵蓋了應力和裂紋尺寸,特別描述了獨立于整個幾何體的裂紋尖端的應力區(qū)域,數(shù)學公式表達為:

撿膜彈齒疲勞壽命的仿真分析ansys結果圖圖片1

式中K為應力強度因子;f稱為幾何修正系數(shù),反映構件和裂紋幾何尺寸對裂尖應力場的影響,可以壓應力強度因子手冊查得,特別是對于承受拉伸的無限寬亡心裂紋板,f=l;對干無限寬單邊裂紋板,f=1.12。σ稱為承受的相應平面上的正應力(剪應力);a為裂紋長度。

但是對于實際結構的有限尺寸幾何體,幾何修正系數(shù)可以用如下公式:

t為在裂紋方向上的構件寬度;m1、m2、m3、m4、m5為前表面修正系數(shù),其值在1.03~1.1215之間。

對于給定的a,循環(huán)應力幅△σ增大,即△K增大,則對于a-N曲線中,曲線斜率da/dN增大,故裂紋擴展速率da/dN的控制變量是應力強度因子幅度△K,這就是Paris公式;

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式中C,N是描述材料疲勞裂紋擴展性能的基本參數(shù),有實驗確定,由(1)(2)(3)可得到如下公式

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從初始裂紋a0到{商界裂紋長度ac積分,有

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解〔5)得到

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這就是疲勞裂紋擴展壽命估算地基本公式,利用此方程,可以根據(jù)不同的需要進行抗疲勞斷裂設計。

二、虛擬疲勞耐久性集成化分析過程

疲勞壽命計算需要知道載荷的變化歷史、結構的幾何參數(shù)以及有關的材料性能參數(shù)或曲線,疲勞壽命計算的簡單流程見圖1.

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用有限元計算隨機疲勞壽命分析,除了幾何信息來源于CAE之外,通常還需要兩方面的輸入:第一步是根據(jù)載荷和幾何結構計算應力應變的變化歷史,對于一個實驗工程構件,通常在多個位置同時承受不同的動態(tài)載荷,構件的幾何形狀也很復雜,計算這樣一個動態(tài)應力應變響應,是有限元分析的主要任務。一旦獲得應力應變響應,結合材料性能參數(shù),就可以用不同的疲勞損傷模型進行壽命計算,這就是第二步。疲勞壽命的理論預測精度既依賴于應力應變響應的正確模擬,也依賴于損傷模型的合理使用。

三、撿膜彈齒的疲勞壽命分析

1. 檢膜彈齒的有限元模型

撿膜彈齒的三維有限元模型是應用CAD造型軟件Solid works建立帶有質(zhì)量、轉動慣量等物理特征的模型,保存為ACIS格式的圖形又件。在通過數(shù)據(jù)轉換接口將模型導入到MSC.Paran中,可以看出,CAD軟件建立的模型,有時并不能順利導入有限元分析軟件(CAE)中去,要經(jīng)過多次地修改和消除CAD建模過程甲存在和隱含的造型和邏輯錯誤。否則無法劃分有限單元網(wǎng)格,或劃分出來的不正確。

有限元分析首要和關鍵的一步是進桿單元的網(wǎng)格劃分,有限元的分析模型要求結構模型的點、線、畫、體的劃分嚴格正確無誤,本模型用10節(jié)點四面體實休單元(TETlOElement)進行網(wǎng)格劃分,一共有27543個單無,50056個接點。最后通過使用Equivalence操作來消除公共節(jié)點,以保證幾何相鄰處的單元協(xié)調(diào)一致。

2. 模型載荷

最大載荷為220N,加載波形為半正弦波,加載頻率為1HZ,載荷比R=0,加載方式為彈齒端部的集中載荷(如圖2).

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3材料性能

MSCFatigue自帶一個種類較齊全的材料數(shù)據(jù)庫,在沒有自己的疲勞材料數(shù)握庫的情況下,可以根據(jù)已知的材料彈性模量仁、抗拉極限UTS,在該數(shù)據(jù)庫中找到對應的材料牌號。撿膜彈齒的材料為55SiMnVB,它是一種疲勞強度高、彈性好的材料E=196GPa,μ=0.3,ρ=7860kg/m³,σ=735MPa,τ=440MPa,材料的S-N曲線如圖3.

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4靜應力分析

在靜力分析中,需要計算彈齒模型在每個單位載荷下的應力分布,并將結果保存為.OP2格式的結果文件,該又件作為疲勞分析的一個輸入?yún)?shù),圖4為撿膜彈齒的靜應力云紋變形圖,由圖4知最大應力在撿膜彈齒的根部,最大為4.95E2Mpa.

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5.疲勞分析

由于撿膜彈齒工作時應力不大、角速度很大,這種情況屬于低應力、高循環(huán)的疲勞問題,材料所受的交變應力原低于材料的屈服極限,在工程上稱為高周疲勞。通常用S-N曲線來進行該材料的疲勞分析。

根據(jù)激勵載荷譜、材料的5一閃曲線得到模型的疲勞壽命分布,如圖5所示。在最小壽命處,其值僅為105.45,而該設備的轉速為150r/min,所以撿膜彈齒工作31個多小時就開始出現(xiàn)疲勞折斷,顯然遠不能滿足設計要求,必須進行設計改進。表1為最容易出現(xiàn)疲勞破壞的點。

由以上的疲勞壽命結果云圖可以看處,最危險點出現(xiàn)節(jié)點12533處,也是應力最高的地方,這與實際試驗中出現(xiàn)在此折斷的現(xiàn)象相符。但因其使用壽命太短,顯然遠不能滿足設計要求,必須進行改進設計。

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6.優(yōu)化設計

點擊MSC.Fatigue中的Optimize按鈕,進入優(yōu)化程序,選擇撿膜彈齒上最危險的節(jié)點作為優(yōu)化目標,設定設計壽命為1E6次,這是一個高周期循環(huán)。在出現(xiàn)地窗口中,得比例因子為0.8246(如圖6),即如果將1E6作為設計壽命,那么載荷就要減少為初始的0.8246倍那么就需要減少入土深度,這是所不允許的。

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