基于ANSYS的專用噴灑車主管路隨機疲勞分析

2013-06-10 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者: 申祖武*許志貴*王天運*劉水江來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: ANSYS 車裁管路隨機振動隨機疲勞計算
應(yīng)用ANSYS有限元分析軟件,在路面不平度所引起的隨機振動激勵下,對噴灑車主管路進(jìn)行頻率響應(yīng)分析,獲得結(jié)構(gòu)動態(tài)應(yīng)力響應(yīng)PSD(功率譜密度),根據(jù)線性累積損傷理論和材料的S-N曲線,計算出結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

武漢理工大學(xué)和某科研所共同開展了核輻射沾染清除技術(shù)的相關(guān)研究,其中噴灑車是核廢物清理系統(tǒng)中的一個重要裝備。道路表面的凹凸不平是隨機的,它對車輛產(chǎn)生隨機激勵,如果這種隨機激勵引起的振動過大的話,將使得乘員感到不舒服和不適應(yīng),同時也使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞。如果噴灑車在趕赴現(xiàn)場或作業(yè)中管路系統(tǒng)發(fā)生破壞,這對整個核輻射沾染清除工作的影響是致命的。

疲勞分析的最終目的是要確定結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命,目前對確定性周期振動和隨機振動載荷引起的振動疲勞壽命預(yù)計問題研究得較多。本文把隨機振動疲勞壽命的預(yù)計方法引人到車載設(shè)備的疲勞壽命預(yù)測中,在產(chǎn)品設(shè)計階段就可根據(jù)疲勞壽命分布圖直觀地判斷出設(shè)備疲勞壽命薄弱位置,發(fā)現(xiàn)影響疲勞壽前的主要因素,從而改進(jìn)結(jié)構(gòu),主動控制產(chǎn)品的疲勞壽命。

本文采用疲勞壽命數(shù)值仿真分析方法,通過動力學(xué)仿真計算,得到結(jié)構(gòu)在頻域上的動應(yīng)力分布和傳遞函數(shù),根據(jù)這些動應(yīng)力分布,應(yīng)用ANSYS中Fatigue疲勞分析模塊,計算管路的疲勞壽命。

1 隨機疲勞分析方法

隨機載荷的長期作用會使零件產(chǎn)生隨機疲勞。一般的隨機載荷,其應(yīng)力幅和平均應(yīng)力都是隨機變化的,這樣使隨機疲勞計算變得很復(fù)雜。通常是采用計數(shù)法(如峰值計數(shù)法、雨流計數(shù)法)得到應(yīng)力的峰值或幅值的概率分布,為估算零部件的壽命提供依據(jù)。

1.1 隨機振動疲勞分析流程

用有限元法計算隨機疲勞壽命的主要步驟為:

(1)根據(jù)載荷和幾何結(jié)構(gòu)計算中的應(yīng)力應(yīng)變歷史計算動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng);

(2)建立合理的損傷模型;

(3)利用該應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)結(jié)合材料性能參數(shù)和損傷模型計算疲勞壽命。疲勞分析的簡單流程如圖所示。本文根據(jù)線性累積損傷理論,采用功率譜法,在獲得結(jié)構(gòu)動態(tài)應(yīng)力響應(yīng)PSD(功率譜密度)和S-N曲線后,計算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

1.2 材料的疲勞特性(S-N曲線)

S-N曲線描述的是應(yīng)力幅。與開始斷裂時的循環(huán)數(shù)Nf的關(guān)系,即為疲勞壽命。對于任何類型的疲勞載荷,構(gòu)件的S-N曲線都可以通過疲勞試驗確定。

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圖1 隨機振動疲勞分析流程

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圖2 疲勞曲線(S—N曲線)

對標(biāo)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)軸試件施加彎曲載荷,得到兩種典型材料抗彎曲的疲勞曲線,如圖2所示。隨著N的增加疲勞許用應(yīng)力迅速減小,但超過一百萬次后最大應(yīng)力不再發(fā)生變化,且曲線維持在2.3X108Pa處。該應(yīng)力稱為完全交變應(yīng)力下的材料疲勞持久極限。對于鋁合金試件,就不能找到這樣的材料疲勞持久極限。有幾種方程可以近似描述S-N曲線,最簡單、最可接受的是冪函數(shù)形式:

式中,是疲勞強度系數(shù)。是由S-N曲線外推到第—個半循環(huán)的應(yīng)力幅值;b是疲勞強度指數(shù),是雙對數(shù)坐標(biāo)中S-N曲線的斜率。
1.3 疲勞累計損傷理論

疲勞累積損傷假設(shè)多達(dá)數(shù)十種,對于在等幅載荷下的疲勞損傷研究比較深入,在工程中已得到廣泛的應(yīng)用。但隨機振動機械的零部件承受的不是等幅載荷,而是具有隨機特性的變幅載荷,目前解決這個問題的途徑是基于線性累計損傷規(guī)律。通過等幅疲勞實驗的數(shù)據(jù)來估算變幅載荷下的疲勞壽命H。線性累計損傷規(guī)律的表達(dá)式如下:

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式中,m=-l/b;D為節(jié)點的線性累積損傷系數(shù);為節(jié)點應(yīng)力幅值;為任意—個量級的作用次數(shù);為單獨等幅作用下產(chǎn)品疲勞破壞的總次數(shù);為零件各節(jié)點的壽命。的關(guān)系由材料的疲勞特性曲線決定。

最后根據(jù)Miner定理,當(dāng)D≥l,則認(rèn)為該節(jié)點失效,這樣就很容易得到分析模型上各節(jié)點S的分布。

2 噴灑車主管路疲勞分析

2.1 有限元分析模型

整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中水箱和水泵質(zhì)量大而集中,而且它們和車體剛性連接。因此對管路的振動影響小。這樣就可以把水箱、水泵和車體看成一個整體,只選取系統(tǒng)中管路部分進(jìn)行建模分析。模型如圖3所示。單元類型采用梁單元beaml88,在用bcaml88建模時必須先定義界面形狀。而且必須指定一個方向關(guān)鍵點來確定截面方向。網(wǎng)格劃分采用智能網(wǎng)格劃分,可以根據(jù)需要控制單元的大小和形狀。此管路被劃分為3000個單元。

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圖3 有限元分析模型圖4 頻率響應(yīng)分析彎矩圖

2.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析主要了解模型的動態(tài)特性。得到它在PSD載荷譜所覆蓋的頻帶內(nèi)每一階的固有頻率,為下一步的頻率響應(yīng)分析做準(zhǔn)備。計算所得到的前五階頻率如表1所示。

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表1 前五階固有頻率

2.3 頻率響應(yīng)分析

完成頻率響應(yīng)分析需要在激勵方向上施加在整個求解頻帶內(nèi)以加速度為單位載荷的激勵譜,對于本模型激勵譜加載在主管路兩固定端。激勵譜選取典型路面譜,公路等級為B級,行駛速度為15m/s。然后確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù),得到模型在各階頻率上的應(yīng)力分布情況。圖4所示的主管路彎矩圖間接反映了應(yīng)力分布情況。

通常頻率響應(yīng)分析通過插值(線性插值或?qū)?shù)插值)的方式來求解在整個頻率范圍內(nèi)各頻率點上的響應(yīng)。如果參數(shù)取得不恰當(dāng),會造成共振頻率點泄漏,所以必須根據(jù)前面模態(tài)分析的結(jié)果。采取相應(yīng)措施強制讓頻率響應(yīng)分析通過系統(tǒng)的固有頻率點,否則會給計算結(jié)果帶來很大的誤差,影響結(jié)論的可靠性。

2.4 隨機振動疲勞分析

ANSYS中疲勞計算在通用后處理器POSTl中進(jìn)行,但必須是已經(jīng)完成了應(yīng)力計算,對本例即耍完成頻率響應(yīng)計算。一般包括如下5個主要步驟:

(1)進(jìn)入后處理POSTl,恢復(fù)數(shù)據(jù)庫。

(2)建立位置(Location)、事件(Event)和載荷(Loading)數(shù)。定義材料疲勞性質(zhì)并確定應(yīng)力位置和定義應(yīng)力集中系數(shù)。選取靠近固定端的應(yīng)力集中節(jié)點(節(jié)點334)作為應(yīng)力位置(Location)。從數(shù)據(jù)庫中提取對應(yīng)的應(yīng)力值。定義材料疲勞性質(zhì),即輸入圖2的材料S-N曲線。

(3)保存不同事件(Event)和不同載荷(Loading)下關(guān)心位置的應(yīng)力。并指定事件(Location)的重復(fù)次數(shù)和比例系數(shù)。從頻率響應(yīng)分析得知主管路在一階頻率24.105Hz附近發(fā)生共振。則每小時循環(huán)次數(shù)N=24.105×3600=86778次。

(4)激括疲勞計算。

(5)查看結(jié)果。計算所得每小時的損傷度。