抗疲勞設(shè)計(jì)連載(一)

2013-06-08 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

簡(jiǎn)介什么是疲勞? 確定材料的疲勞強(qiáng)度疲勞壽命的計(jì)算方法設(shè)計(jì)人員使用SN方法計(jì)算疲勞壽命結(jié)論附錄A—裂紋增長(zhǎng) 附錄B—雨流法計(jì)數(shù)

作者: COSMOS 來源: COSMOS
關(guān)鍵字: 有限元分析安世亞太抗疲勞設(shè)計(jì) SN FEA

簡(jiǎn)介

1954年,世界上第一款商業(yè)客機(jī)deHavillandComet接連發(fā)生了兩起墜毀事故,這使得“金屬疲勞”一詞出現(xiàn)在新聞?lì)^條中,引起公眾持久的關(guān)注。這種飛機(jī)也是第一批使用增壓艙的飛行器,采用的是方形窗口。增壓效應(yīng)和循環(huán)飛行載荷的聯(lián)合作用導(dǎo)致窗角出現(xiàn)裂紋,隨著時(shí)間的推移,這些裂紋逐漸變寬,最后導(dǎo)致機(jī)艙解體。Comet空難奪去了68人的生命,這場(chǎng)悲劇無時(shí)無刻不在提醒著工程師創(chuàng)建安全、堅(jiān)固的設(shè)計(jì)。

自此以后,人們發(fā)現(xiàn)疲勞是許多機(jī)械零部件(例如在高強(qiáng)度周期性循環(huán)載荷下運(yùn)行的渦輪機(jī)和其他旋轉(zhuǎn)設(shè)備)失效的罪魁禍?zhǔn)住?/P>

事實(shí)證明,有限元分析(FEA)是用于了解、預(yù)測(cè)和避免疲勞的首要工具。

什么是疲勞?

設(shè)計(jì)人員通常認(rèn)為最重要的安全因素是零部件、裝配體或產(chǎn)品的總體強(qiáng)度。為使設(shè)計(jì)達(dá)到總體強(qiáng)度,工程師需要使設(shè)計(jì)能夠承載可能出現(xiàn)的極限載荷,并在此基礎(chǔ)上再加上一個(gè)安全系數(shù),以確保安全。但是,在運(yùn)行過程中,設(shè)計(jì)幾乎不可能只承載靜態(tài)載荷。在絕大多數(shù)的情況下,設(shè)計(jì)所承載的載荷呈周期性變化,反復(fù)作用,隨著時(shí)間的推移,設(shè)計(jì)就會(huì)出現(xiàn)疲勞。

實(shí)際上,疲勞的定義為:“由單次作用不足以導(dǎo)致失效的載荷的循環(huán)或變化所引起的失效”。疲勞的征兆是局部區(qū)域的塑性變形所導(dǎo)致的裂紋。此類變形通常發(fā)生在零部件表面的應(yīng)力集中部位,或者表面上或表面下業(yè)已存在但難以被檢測(cè)到的缺陷部位。盡管我們很難甚至不可能在FEA中對(duì)此類缺陷進(jìn)行建模,但材料中的變化永遠(yuǎn)都存在,很可能會(huì)有一些小缺陷。FEA可以預(yù)測(cè)應(yīng)力集中區(qū)域,并可以幫助設(shè)計(jì)工程師預(yù)測(cè)他們的設(shè)計(jì)在疲勞開始之前能持續(xù)工作多長(zhǎng)時(shí)間。

疲勞的機(jī)制可以分成三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的過程:

1.裂紋產(chǎn)生

2.裂紋延伸

3.斷裂

FEA應(yīng)力分析可以預(yù)測(cè)裂紋的產(chǎn)生。許多其他技術(shù),包括動(dòng)態(tài)非線性有限元分析可以研究與裂紋的延伸相關(guān)的應(yīng)變問題。由于設(shè)計(jì)工程師最希望從一開始就防止疲勞裂紋的出現(xiàn),本白皮書主要從該角度對(duì)疲勞進(jìn)行闡述。關(guān)于疲勞裂紋增長(zhǎng)的討論,請(qǐng)參閱附錄A。

確定材料的疲勞強(qiáng)度

裂紋開始出現(xiàn)的時(shí)間以及裂紋增長(zhǎng)到足以導(dǎo)致零部件失效的時(shí)間由下面兩個(gè)主要因素決定:零部件的材料和應(yīng)力場(chǎng)。材料疲勞測(cè)試方法可以追溯到19世紀(jì),由AugustW?hler第一次系統(tǒng)地提出并進(jìn)行了疲勞研究。標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試采用周期性載荷,例如旋轉(zhuǎn)彎曲、懸臂彎曲、軸向推拉以及扭轉(zhuǎn)循環(huán)。科學(xué)家和工程師將通過此類測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)繪制到圖表上,得出每類應(yīng)力與導(dǎo)致失效的周期重復(fù)次數(shù)之間的關(guān)系,或稱S-N曲線。工程師可以從S-N曲線中得出在特定周期數(shù)下材料可以承受的應(yīng)力水平。

該曲線分為高周疲勞和低周疲勞兩個(gè)部分。一般來說,低周疲勞發(fā)生在10,000個(gè)周期之內(nèi)。曲線的形狀取決于所測(cè)試材料的類型。某些材料,例如低碳鋼,在特定應(yīng)力水平(稱為耐疲勞度或疲勞極限)下的曲線比較平緩。不含鐵的材料沒有耐疲勞度極限。

大體來說,只要在設(shè)計(jì)中注意應(yīng)用應(yīng)力不超過已知的耐疲勞度極限,零部件一般不會(huì)在工作中出現(xiàn)失效。但是,耐疲勞度極限的計(jì)算不能解決可能導(dǎo)致局部應(yīng)力集中的問題,即應(yīng)力水平看起來在正常的“安全”極限以內(nèi),但仍可能導(dǎo)致裂紋的問題。

抗疲勞設(shè)計(jì)連載(一)solidworks simulation分析案例圖片1

S-N(應(yīng)力與周期)曲線示例

與通過旋轉(zhuǎn)彎曲測(cè)試確定的結(jié)果相同,疲勞載荷歷史可以提供關(guān)于平均應(yīng)力和交替應(yīng)力的信息。測(cè)試顯示,裂紋延伸的速度與載荷周期和載荷平均應(yīng)力的應(yīng)力比率有關(guān)。裂紋僅在張力載荷下才會(huì)延伸。因此,即使載荷周期在裂紋區(qū)域產(chǎn)生壓縮應(yīng)力,也不會(huì)導(dǎo)致更大的損壞。但是,如果平均應(yīng)力顯示整個(gè)應(yīng)力周期都是張力,則整個(gè)周期都會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞。

許多工況載荷歷史中都會(huì)有非零的平均應(yīng)力。人們發(fā)明了三種平均應(yīng)力修正方法,可以省去必須在不同平均應(yīng)力下進(jìn)行疲勞測(cè)試的麻煩:

抗疲勞設(shè)計(jì)連載(一)solidworks simulation分析案例圖片2

圖平均修正方法

這三種方法都只能應(yīng)用于所有相關(guān)聯(lián)的S-N曲線都基于完全反轉(zhuǎn)載荷的情況。而且,只有所應(yīng)用疲勞載荷周期的平均應(yīng)力與應(yīng)力范圍相比很大時(shí),修正才有意義。上圖顯示了交替應(yīng)力、材料應(yīng)力極限和載荷平均應(yīng)力之間的關(guān)系,該圖稱為Goodman圖表。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,失效判據(jù)位于Goodman曲線和Gerber曲線之間。這樣,就需要一種實(shí)用的方法基于這兩種方法并使用最保守的結(jié)果來計(jì)算失效。

疲勞壽命的計(jì)算方法

對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行物理測(cè)試明顯是不現(xiàn)實(shí)的。在多數(shù)應(yīng)用中,疲勞安全壽命設(shè)計(jì)需要預(yù)測(cè)零部件的疲勞壽命,從而確定預(yù)測(cè)的工況載荷和材料。

計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)程序使用三種主要方法確定總體疲勞壽命。這些方法是:

·應(yīng)力壽命方法(SN)

這種方法僅基于應(yīng)力水平,只使用W?hler方法。盡管不適用于包含塑性部位的零部件,低周疲勞的精確度也乏善可陳,但這種方法最容易實(shí)施,有豐富的數(shù)據(jù)可供使用,并且在高周疲勞中有良好的效果。

·應(yīng)變壽命(EN)

這種方法可以對(duì)局部區(qū)域的塑性變形進(jìn)行更詳細(xì)的分析,非常適合低周疲勞應(yīng)用。但是,結(jié)果存在一些不確定性。

·線性彈性破壞力學(xué)(LEFM)

這種方法假設(shè)裂縫已經(jīng)存在并且被檢測(cè)到,然后根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度預(yù)測(cè)裂縫的增長(zhǎng)。借助計(jì)算機(jī)代碼和定期檢查,這種方法對(duì)大型結(jié)構(gòu)很實(shí)用。

由于易于實(shí)施并且有大量的材料數(shù)據(jù)可用,SN是最常用的方法。

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