CAE在冰箱助吸器疲勞壽命設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2013-06-17  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線

國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)資料表明,機(jī)械構(gòu)件失效破壞的85%以上為疲勞破壞,如軸、連桿、齒輪、彈簧、螺栓、壓力容器、海洋平臺(tái)、汽輪機(jī)葉片和焊接結(jié)構(gòu)等,很多機(jī)械零部件和結(jié)構(gòu)件的破壞方式都是疲勞,疲勞破壞成為機(jī)械產(chǎn)品的一種主要失效形式。由此可見(jiàn),研究結(jié)構(gòu)的疲勞壽命是目前面臨的一個(gè)重要課題。

現(xiàn)在美英等一些發(fā)達(dá)國(guó)家,對(duì)于承受循環(huán)載荷的機(jī)械,除了要進(jìn)行傳統(tǒng)的靜強(qiáng)度計(jì)算之外,都還要進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核,而且后者經(jīng)常是產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范中更主要的內(nèi)容。我國(guó)在機(jī)械結(jié)構(gòu)的疲勞壽命研究方面起步較晚,在航空、航天、造船等尖端領(lǐng)域該技術(shù)得到了較好的應(yīng)用,而在一般機(jī)械行業(yè),如家用電器行業(yè),對(duì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基本處于靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)階段,只是在軸和曲軸等少數(shù)零件中使用過(guò)抗疲勞設(shè)計(jì)。這些結(jié)構(gòu)尤其是新結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)都進(jìn)行’了靜強(qiáng)度分析,是滿足靜強(qiáng)度要求的。而從結(jié)構(gòu)的失效形式分析則屬于典型的疲勞失效,可能設(shè)計(jì)當(dāng)時(shí)還不具備疲勞分析的條件或能力?？梢钥闯?沒(méi)有對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核造成的損失是巨大的。
   
在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段進(jìn)行疲勞壽命分析,能真實(shí)地預(yù)測(cè)產(chǎn)品的壽命,極大地降低生產(chǎn)原型機(jī)和進(jìn)行疲勞壽命測(cè)試所帶來(lái)的巨額開(kāi)銷。經(jīng)過(guò)近二十年的發(fā)展,計(jì)算機(jī)耐久性仿真技術(shù)已相當(dāng)成熟,最具代表性的主導(dǎo)仿真軟件如MSC.Fatigue軟件,可進(jìn)行初始裂紋分析、裂紋增長(zhǎng)分析、焊接壽命分析、全壽命分析,多軸疲勞計(jì)算、整體及局部壽命分析、疲勞優(yōu)化等,如通過(guò)MSC.Fatigue將可以仿真壓縮機(jī)由于加載所帶來(lái)的裂紋缺陷的擴(kuò)展情況和工作壽命,并已被國(guó)外各大家電及發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)采用。本文成功應(yīng)用到冰箱助吸器疲勞壽命開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。MSC.Fatigue已經(jīng)使世界眾多的知名公司和企業(yè)從中獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品早期分析可以縮短產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間,提高產(chǎn)品的可靠性,增強(qiáng)客戶對(duì)產(chǎn)品性能的信心,同時(shí)也減少了廠商由于未成熟產(chǎn)品的失敗而造成開(kāi)發(fā)合同的終止或其它難以預(yù)計(jì)的后果。
   
疲勞問(wèn)題的傳統(tǒng)解決方法有使用更高的安全系數(shù)保守設(shè)計(jì)部件,結(jié)果是增加了重量和費(fèi)用,依賴于繁重的物理疲勞試驗(yàn),預(yù)測(cè)疲勞情況和壽命期望,這將導(dǎo)致費(fèi)用增加和推向市場(chǎng)的時(shí)間加長(zhǎng),同時(shí)也限制了能進(jìn)行試驗(yàn)工況數(shù)量和操作環(huán)境。
   
由于家電產(chǎn)品要在各種復(fù)雜的載荷環(huán)境工作,因而需要對(duì)零件和整機(jī)的壽命進(jìn)行分析,為保證產(chǎn)品具有最佳的經(jīng)濟(jì)成本,還需要進(jìn)行壽命等設(shè)計(jì)。冰箱助吸器在冰箱的作用是當(dāng)冰箱門(mén)關(guān)閉時(shí)能使門(mén)有效的關(guān)緊,有效解決了由于門(mén)封條磁鐵的吸力不足而產(chǎn)生的漏冷嚴(yán)重的問(wèn)題。由于其結(jié)構(gòu)小,重要程度容易被開(kāi)發(fā)者忽視。在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中。開(kāi)發(fā)人員一般憑借經(jīng)驗(yàn)或參考以前的產(chǎn)品對(duì)助吸器進(jìn)行設(shè)計(jì),沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)的強(qiáng)度、疲勞壽命設(shè)計(jì),因此在使用或冰箱開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)了冰箱助吸器的斷裂,使得門(mén)無(wú)法關(guān)緊,氣流直接通過(guò)空氣流向箱外,影響了冰箱的外觀,損失大量的熱量。因此對(duì)冰箱助吸器進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞壽命設(shè)計(jì)是很有必要的。
   
本文利用MSC.MARC和MSC.Fatigue軟件,首先對(duì)助吸器進(jìn)行應(yīng)力分析,經(jīng)過(guò)應(yīng)力分析優(yōu)化助吸器的結(jié)構(gòu),再利用MSC對(duì)應(yīng)力分析的結(jié)果進(jìn)行疲勞壽命分析。通過(guò)有限元分析開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出新的冰箱助吸器結(jié)構(gòu)和優(yōu)化原有的冰箱助吸器結(jié)構(gòu)。通過(guò)本文的分析可以有效代替了冰箱門(mén)開(kāi)關(guān)試驗(yàn)的次數(shù),節(jié)省試驗(yàn)和開(kāi)發(fā)費(fèi)用。本文也為家電其他部件的強(qiáng)度、疲勞壽命分析提供了一種有效的方法。

2 疲勞理論
   
疲勞壽命分析主要包括三個(gè)基本的壽命一預(yù)測(cè)方法:名義應(yīng)力一壽命,局部應(yīng)力和缺陷誤差。本文采用名義應(yīng)力一壽命的分析方法。該分析方法一般假設(shè)構(gòu)件無(wú)缺陷。在無(wú)缺陷零件中,裂紋通常從自由表面開(kāi)始,特別是從角和邊等應(yīng)力集中處。在一個(gè)固體模型零件中,自由節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力和應(yīng)變是最為重要的。
   
分析的理論基礎(chǔ)是Miner的線性疲勞累積損傷理論;
   
構(gòu)件在應(yīng)力水平Si作用下,經(jīng)受ni次循環(huán)的損傷為Di=ni/Ni.若在k個(gè)Si應(yīng)力水平作用下,各經(jīng)受ni次循環(huán),則可定義其總損傷為:

    其中,ni是在Si作用下的循環(huán)次數(shù),由載荷譜給出;Ni是在si作用下循環(huán)到破壞的壽命,由全壽命疲勞S—N曲線確定。
   
任何零件的疲勞壽命評(píng)估包括三個(gè)步驟定義材料疲勞特性、定義疲勞載荷譜、分析求解后處理。最重要和最困難的是定義零件的載荷環(huán)境,其次,是建立載荷-應(yīng)變曲線和建立應(yīng)力—壽命關(guān)系曲線。
   
恒幅載荷作用下的疲勞壽命估算,可直接利用S一N曲線,交幅載荷譜下的壽命預(yù)測(cè),借助于Miner理論可以解決。隨機(jī)載荷譜則需要等效轉(zhuǎn)換為交幅或恒幅載荷譜。對(duì)有限元模型上的一組載荷和約束的仿真將會(huì)估計(jì)出零件的服務(wù)環(huán)境。通過(guò)雨流計(jì)數(shù)法對(duì)典型載荷譜段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,編制相應(yīng)的變幅載荷塊譜。MSC.Fatigue提供一種方便的時(shí)間-歷程數(shù)據(jù)處理方式,很容易定義出需要的載荷時(shí)間歷程,然后使用外部資源綜合處理或獲取,例如數(shù)據(jù)獲取儀器。

3 分析軟件介紹及計(jì)算流程

    3.1 MSC.MARC軟件介紹
   
MSC.MARC是功能齊全的高級(jí)非線性有限元軟件,具有極強(qiáng)的結(jié)構(gòu)分析能力。應(yīng)用它可以處理各種線性和非線性結(jié)構(gòu)分析包括;線性/非線性靜力分析、模態(tài)分析、簡(jiǎn)諧響應(yīng)分析、頻譜分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、動(dòng)力響應(yīng)分析、自動(dòng)的靜/動(dòng)力接觸、屈曲/失穩(wěn)、失效和破壞分析等。MSC.MARC包括如下模塊:MSC.MARC/MENTAT是高級(jí)非線性有限元分析模塊,MENTAT是MARC的前后處理圖形對(duì)話界面。兩者嚴(yán)密整合的MSC.MARC/MENTAT成為解決復(fù)雜工程問(wèn)題,完成學(xué)術(shù)研究的高級(jí)通用有限元軟件。MENTAT是新一代非線性有限元分析的前后處理圖形交互界面,與MARC求解器無(wú)縫連接。MSC.Marc是功能齊全的高級(jí)非線性有限元軟件的求解器,體現(xiàn)了30年來(lái)有限元分析的理論方法和軟件實(shí)踐的完美結(jié)合。它具有極強(qiáng)的結(jié)構(gòu)分析能力,可以處理各種線性和非線性結(jié)構(gòu)分析包括:線性/非線性靜力分析、模態(tài)分析、簡(jiǎn)諧響應(yīng)分析、頻譜分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、動(dòng)力響應(yīng)分析、自動(dòng)的靜/動(dòng)力接觸、屈曲/失穩(wěn)、失效和破壞分析等。本文利用它來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)助吸器開(kāi)關(guān)門(mén)試驗(yàn)產(chǎn)生的應(yīng)力狀況進(jìn)行模擬并初步優(yōu)化結(jié)構(gòu),模擬的應(yīng)力結(jié)果輸入到MSC.Fatigue進(jìn)行疲勞壽命模擬。

3.2 MSC.Fatigue軟件介紹
   
MSC.Fatigue是MSC與MSC在疲勞和耐久性分析領(lǐng)域的合作伙伴nCod合作開(kāi)發(fā)的。MSC.Fatigue可以幫助用戶快速而準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)產(chǎn)品在任何與時(shí)間相關(guān)和頻率相關(guān)的載荷工況作用下的壽命,并優(yōu)化產(chǎn)品的重量和形狀。通過(guò)識(shí)別需要時(shí)間處理的部件的薄弱環(huán)節(jié),加速創(chuàng)新。
   
    利用MSC.Fatigue軟件對(duì)機(jī)械部件進(jìn)行疲勞壽命分析的優(yōu)點(diǎn)是:
   
    ①所有的可能的載荷工況情況下,對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行虛擬試驗(yàn),增加產(chǎn)品最終設(shè)計(jì)時(shí)的信心。
   
    ②使新設(shè)計(jì)快速走向市場(chǎng),避免沉長(zhǎng)的物理上”裝與拆”的循環(huán),而它需要數(shù)周或數(shù)月才能充分地達(dá)到正常的循環(huán)壽命時(shí)間。
   
    MSC.Fatigue軟件主要應(yīng)用領(lǐng)域:
   
    ①承受低循環(huán)或隨機(jī)振動(dòng)載荷的飛行器。
   
    ②汽車懸架系統(tǒng)和剎車系統(tǒng)。
   
    ③非高速路行駛的車輛,具有相對(duì)粗糙的操作環(huán)境。
   
    ④發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲,風(fēng)力渦輪機(jī)和有隨機(jī)振動(dòng)的海洋鉆井平臺(tái)。
   
    ⑤家電行業(yè)等

    3.5 疲勞壽命分析流程
   
近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的不斷發(fā)展,有限元技術(shù)也得到了更廣泛的應(yīng)用,尤其是對(duì)于一些大型復(fù)雜結(jié)構(gòu),更顯出其優(yōu)勢(shì),在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上,利用其分析結(jié)果和先進(jìn)的疲勞分析軟件MSC.Fatigue提供的疲勞壽命分析功能,對(duì)一些機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析。本文應(yīng)用大型有限元軟件MSC,MARC和MSC.Fatigue來(lái)計(jì)算助吸器的結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和疲勞壽命。其核心采用的是線彈性斷裂力學(xué),計(jì)算流程圖如圖1所示。

4 應(yīng)力分析
   
結(jié)構(gòu)靜力分析是疲勞分析的基礎(chǔ),疲勞壽命分析可以認(rèn)為是對(duì)結(jié)構(gòu)靜力分析的后處理,本文首先利用MSC.MARC對(duì)冰箱助吸器進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析,然后在靜力分析基礎(chǔ)上,利用MSC.Fatigu對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行分析計(jì)算。

4.1 建立分析成型
   
冰箱助吸器的三維模型如圖2所示。助吸器通過(guò)自身和螺栓與門(mén)體固定在一起。

4.2 結(jié)構(gòu)離散欖型
   
將物理模型導(dǎo)入MSC.MARC軟件,使用MSC.MARC前后處理器MENTAT對(duì)三維物理模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)自動(dòng)離散化,生成四而體的有限元分析網(wǎng)格,共生成7269節(jié)點(diǎn).30902單元,如圖3。

    4.3 載荷確定
   
冰箱在開(kāi)關(guān)門(mén)試驗(yàn)或使用中,助吸器的主要載荷來(lái)自門(mén)鉸對(duì)它的作用,這種載荷可認(rèn)為周期性的載荷。經(jīng)過(guò)測(cè)試和計(jì)算可以得到此開(kāi)門(mén)。關(guān)門(mén)時(shí)門(mén)鉸作用在助吸器的載荷大小和助吸器在業(yè)荷作用處的位移變化業(yè)。此數(shù)值可用于下面的有限元分析中。

    4.5約束條件及載荷
   
如圖4所示、在助吸器與門(mén)體固定的地方,其中一處使用螺拴與門(mén)體擰緊.見(jiàn)圖4約束條件apply2.另一處自身一部分與門(mén)體固定聯(lián)接,見(jiàn)圖4約束條件applyl。因此這兩處受到固定位移約束。

    4.6材料屬性
   
    助吸器使用材料為ABS板,它的物理性能參數(shù)見(jiàn)表1。

    4.7 計(jì)算結(jié)果
   
經(jīng)過(guò)時(shí)助吸器在以上兩種工況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)應(yīng)力分析后,在兩種工況下最大應(yīng)力值如表2。應(yīng)力結(jié)果分別如圖5、6所示,最大應(yīng)力發(fā)生在拐角處。經(jīng)過(guò)應(yīng)力分析,可以初步優(yōu)化助吸器的結(jié)構(gòu).再選取優(yōu)化后的應(yīng)力結(jié)果導(dǎo)入MSC.Fatigue軟件進(jìn)行疲勞壽命分析。這樣可以避免了后序大位疲勞分析計(jì)算工作.有效簡(jiǎn)化計(jì)算流程,節(jié)省了大兩工作量。

5 疲勞壽命分析

    5.1確定分析對(duì)象及類型
   
在冰箱門(mén)開(kāi)關(guān)試驗(yàn)中,冰箱助吸器在未達(dá)到設(shè)計(jì)年限或未滿足試驗(yàn)次數(shù)就經(jīng)常出現(xiàn)破壞,經(jīng)過(guò)分析確定此破壞為疲勞斷裂,為高周疲勞斷裂。在靜力分析的基礎(chǔ)上,冰箱助吸器還必須進(jìn)行疲勞壽命分析。取整個(gè)助吸器為疲勞分析的研究對(duì)象。選擇分析類型:全壽命分析類型S-N。

    5.2進(jìn)行門(mén)開(kāi)關(guān)疲勞分析

    5.2.1導(dǎo)入MSCMARC應(yīng)力分析的結(jié)果文件
   
啟動(dòng)MSC.Fatigue軟件,導(dǎo)入MSC.MARC應(yīng)力分析的結(jié)果見(jiàn)圖7。使用主頁(yè)面的RESULT命令觀察等效應(yīng)力,最大等效應(yīng)力發(fā)生扣緊門(mén)鉸部分的根部圓弧處、頭部和螺栓與門(mén)體固定處,與圖5相似。
 

    5.3結(jié)果分析
   
經(jīng)過(guò)MSC.Farigue分析求解后,疲勞壽命結(jié)果如圖8所示。從圖8中可知.助吸器最危險(xiǎn)部位的循環(huán)次數(shù)是10·606次,大于冰箱門(mén)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)次數(shù),滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論
   
在當(dāng)今激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中,各公司都在致力于改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、性能和壽命,以期縮短產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間,降低成本。利用計(jì)算機(jī),通過(guò)工程分析軟件可以快速有效地揭示各類參數(shù)的變化對(duì)產(chǎn)品性能的影響,從而達(dá)到降低成本的目的。已開(kāi)展的應(yīng)力預(yù)測(cè)僅僅是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一部分內(nèi)容?，F(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)則更迫切地需要通過(guò)工程分析手段預(yù)測(cè)產(chǎn)品的使用壽命,并使之成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一部分。

本文應(yīng)用MSC.MARC和MSC.Fatigue有限元軟件對(duì)助吸器進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞壽命分析,說(shuō)明通過(guò)有限元分析優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu),得到有效的疲勞壽命預(yù)測(cè)是可能的,但是為了產(chǎn)生必要的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果,需要輸人適當(dāng)?shù)妮d荷和邊界條件。疲勞壽命計(jì)算對(duì)應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)的質(zhì)量特別地敏感。適當(dāng)?shù)哪Ｐ吞幚砑夹g(shù),單一元類型和網(wǎng)格精度是保證疲勞分析正確性的一個(gè)重要條件。有限元模型處理和應(yīng)力分析被認(rèn)為是疲勞壽命分析的重要前期活動(dòng)。
   
    在疲勞壽命有限元分析中,經(jīng)過(guò)總結(jié)存在以下困難:
   
    ①疲勞載荷譜較難獲取
   
    機(jī)械零部件在工作中,往往不但要承受自身由于旋轉(zhuǎn)的循環(huán)振動(dòng)載荷,還要承受整機(jī)運(yùn)行時(shí)的變幅振動(dòng)載荷,由此合成的疲勞載荷譜非常復(fù)雜,很難統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)換。
   
    ②材料疲勞特性難以確定
   
    由于在制造過(guò)程中存在難以克服的工藝分散性、材質(zhì)不均勻等特點(diǎn),同種材料的疲勞特性數(shù)據(jù)也存在很大差異,因此,疲勞分析所需的材料疲勞特性數(shù)據(jù)不一而定,具體某種材料的疲勞特性必須由具體疲勞試驗(yàn)確定。
   
    ③疲勞分析技術(shù)難度大
   
    疲勞分析技術(shù)復(fù)雜,難度大,設(shè)計(jì)和分析人員都需要疲勞分析方面的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累,不斷夯實(shí)基礎(chǔ),逐步提升疲勞分析的技術(shù)平臺(tái)。
   
    ④疲勞試驗(yàn)設(shè)備必須齊全
   
針對(duì)某種具體的材料,疲勞特性曲線P-S-N必須通過(guò)疲勞試驗(yàn)獲得,才能保證數(shù)據(jù)正確。要獲得準(zhǔn)確的疲勞載摘譜,必須具備相應(yīng)的測(cè)試手段和試驗(yàn)設(shè)備,通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)測(cè)試,獲得相關(guān)參數(shù),采取特定的數(shù)值分析方法對(duì)其進(jìn)行合成,分析整理成載荷譜,轉(zhuǎn)換為MSC.Fatigue軟件可使用的曲線。要精確地確定疲勞強(qiáng)度與壽命,還得進(jìn)行模擬樣機(jī)疲勞試驗(yàn),結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)不斷調(diào)整分析參數(shù),提高分析能力。
   
為了更好利用有限元分析技術(shù),充分發(fā)揮有限元技術(shù)的作用,可以采用相應(yīng)的如下措施:
   
①必須加強(qiáng)專業(yè)理論知識(shí)學(xué)習(xí)。加強(qiáng)疲勞分析的理論基礎(chǔ)研究,了解疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本理論和試驗(yàn)方法,掌握機(jī)械構(gòu)件在各種載荷環(huán)境下的的疲勞破壞機(jī)理,迅速提高疲勞分析的技術(shù)理論水平。
   
②充分利用有限元疲勞分析軟件公司的技術(shù)培訓(xùn)。通過(guò)培訓(xùn)學(xué)習(xí),向分析工程師咨詢請(qǐng)教,與分析同行交流學(xué)習(xí),熟練掌握疲勞軟件的分析流程,盡快提高疲勞分析的應(yīng)用技巧(建模、分網(wǎng)、加載、求解及后處理技術(shù)),形成自己的分析方法。
   
③采取和專業(yè)的疲勞研究院所合作的方法。借助他們的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,獲得有關(guān)參數(shù),不斷地積累有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù),建立我們自己的材料疲勞特性數(shù)據(jù)庫(kù)和疲勞載荷譜圖庫(kù)。
   
④通過(guò)具體的工程分析項(xiàng)目與專家教授合作。在合作過(guò)程中,虛心學(xué)習(xí),掌握建立疲勞載荷譜圖庫(kù)和材料疲勞特性數(shù)據(jù)庫(kù)的方法,學(xué)習(xí)研究他們的分析方法,借助專家教授的分析經(jīng)驗(yàn),迅速提高我們的分析水平和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

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