ANSYS的U形波紋管疲勞壽命分析

2013-08-13 by:廣州Ansys中心來(lái)源:仿真在線(xiàn)

ANSYS的U形波紋管疲勞壽命分析

波紋管是壓力容器和管道系統(tǒng)以及儀器儀表中常用的連接、補(bǔ)償和密封隔離裝置。它的特點(diǎn)是軸向剛度大、徑向剛度小,故能承受較大的軸向位移,同時(shí)還能承受一定的內(nèi)、外壓。當(dāng)軸向力較小時(shí),波紋管的變形較小,其剛度保持不變;在較大軸向力的作用下,波紋管產(chǎn)生大變形,其剛度隨變形不斷的變化,此時(shí)波紋管的彈性是非線(xiàn)性的。因此波紋管的彈性特性既有線(xiàn)性的也有非線(xiàn)性的,受力分析相當(dāng)復(fù)雜。同時(shí)在工作過(guò)程中載荷是動(dòng)態(tài)的,載荷的變化規(guī)律也較復(fù)雜。而作為一關(guān)鍵零部件,其壽命將嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的性能和壽命,本文采用ANSYS9.0有限元分析軟件,在波紋管整體熱-應(yīng)力耦合分析的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行有限疲勞壽命設(shè)計(jì)。

1 理論基礎(chǔ)

累積損傷是有限壽命設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題,疲勞累積損傷假設(shè)多達(dá)數(shù)十種,疲勞分析常用帕爾姆格林-邁格(Palmgren-Miner)假設(shè),通常稱(chēng)之為線(xiàn)性累積損傷理論。Miner假定載荷循環(huán)是正弦形的,傳給試樣并被其吸收的全部功都用來(lái)產(chǎn)生試樣的破壞(但不發(fā)生應(yīng)變硬化);存在于各種對(duì)稱(chēng)因素載荷之間的關(guān)系,可以用修正的Goodman圖來(lái)表示,破壞的判據(jù)是形成肉眼可見(jiàn)的裂紋。在上述的假定下用公式表示為:

    式中:D為疲勞累積系數(shù);ni為第i階應(yīng)力水平下的實(shí)際應(yīng)力循環(huán)數(shù);Ni為第i階應(yīng)力水平下的疲勞壽命;k為應(yīng)力譜中應(yīng)力范圍的級(jí)數(shù)。當(dāng)D值小于1時(shí),認(rèn)為被評(píng)估對(duì)象是安全的,不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。D值等于和大于1時(shí),意味著被評(píng)估對(duì)象開(kāi)始破壞和已經(jīng)破壞。線(xiàn)性累積邊損傷理論不考慮不同應(yīng)力幅作用順序的影響,大量實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)證明,當(dāng)?shù)蛻?yīng)力幅的交變循環(huán)在前而高應(yīng)力幅的交變循環(huán)在后時(shí),疲勞累積系數(shù)可以稍稍大于1.

    每級(jí)應(yīng)力水平下的疲勞壽命是根據(jù)相應(yīng)材料的S-N曲線(xiàn)得到。S-N曲線(xiàn)描述的是應(yīng)力幅σa和該應(yīng)力幅下開(kāi)始破壞的循環(huán)數(shù)Nf(即疲勞壽命)關(guān)系,它能較準(zhǔn)確地描述波紋管材料的高周疲勞循環(huán)破壞特性。如圖1所示,隨著N的增加疲勞許用應(yīng)力迅速減小,但超過(guò)100萬(wàn)次后最大應(yīng)力不再發(fā)生變化,且曲線(xiàn)維持在350MPa處,該應(yīng)力稱(chēng)為完全交變應(yīng)力下的材料疲勞持久極限。對(duì)于鋁合金試件,就不能找到這樣的材料疲勞持久極限。目前有許多種方程可以近似描述S-N曲線(xiàn),最簡(jiǎn)單、最常用的是冪函數(shù)形式:

    式中:σf是疲勞強(qiáng)度,是由S-N曲線(xiàn)外推到第一個(gè)半循環(huán)(2σf=1)的應(yīng)力幅值;h是疲勞強(qiáng)度指數(shù),是雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中S-N曲線(xiàn)的斜率。

    在復(fù)雜的彎矩、扭矩、軸向力共同作用下,平均應(yīng)力不為零,通常要用修正的Goodman圖得到平均應(yīng)力不為零時(shí)的等效應(yīng)力幅,如圖2所示。σe為材料的疲勞許用極限,在沒(méi)有實(shí)驗(yàn)依據(jù)時(shí),σe可以通過(guò)式(3)確定:

式中:ka為表面加工系數(shù);kb為尺寸系數(shù);kc為可靠性系數(shù);kd為溫度系數(shù);ke為加強(qiáng)因子。它考慮了在階梯處和開(kāi)槽處的應(yīng)力集中,由應(yīng)力集中因子和材料切口敏感度來(lái)計(jì)算加強(qiáng)因子ke.σc是根據(jù)材料強(qiáng)度極限σb來(lái)確定的(σb≤1400MPa時(shí),σe=O.5σb;σb>1 400MPa時(shí),σe=700MPa)。另外可以修正S-N曲線(xiàn),平均應(yīng)力對(duì)應(yīng)力壽命曲線(xiàn)的影響較復(fù)雜,常用的考慮方法是用σf-σm代替式中的σf,即:

實(shí)際的許用疲勞曲線(xiàn)還需用應(yīng)力幅安全系數(shù)和循環(huán)數(shù)安全系數(shù)來(lái)修正疲勞曲線(xiàn),參照英國(guó)BS5500,應(yīng)力幅安全系數(shù)2.2,循環(huán)數(shù)安全系數(shù)取15。

2 波紋管疲勞分析

ANSYS的Fatigue Tool是專(zhuān)門(mén)為設(shè)計(jì)工程師定制的疲勞快速分析工具,它提供了易學(xué)易用的疲勞分析界面環(huán)境,只需在ANSYS應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)仿真。Fatigue Tool采用廣泛使用的應(yīng)力-壽命方法,綜合考慮平均應(yīng)力、載荷條件與疲勞強(qiáng)度系數(shù)等疲勞影響因素并按線(xiàn)性累積損傷理論進(jìn)行疲勞計(jì)算。Fatigue Tool進(jìn)行疲勞分析包含3個(gè)步驟:材料疲勞性能參數(shù)設(shè)定、疲勞分析、疲勞結(jié)果評(píng)估。

    2.1波紋管熱-應(yīng)力藕合分析

    由于疲勞分析是以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的,所以首先對(duì)波紋管進(jìn)行熱一應(yīng)力藕合分析,即第一步先對(duì)波紋管進(jìn)行熱分析,接下來(lái)將熱分析所得的溫度場(chǎng)作為體載荷施加在節(jié)點(diǎn)上,對(duì)波紋管進(jìn)行應(yīng)力分析。這樣較全面地考慮了軸向力和流體溫度對(duì)波紋管壽命的影響。

    波紋管是軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),其所受載荷和溫度也是軸向?qū)ΨQ(chēng)的,因此為減少計(jì)算機(jī)運(yùn)行成本,采用平面模型進(jìn)行分析,波紋管幾何參數(shù),材料屬性。邊界條件為水蒸氣對(duì)流系數(shù),取1300W/(m2·℃),水蒸氣溫度取300℃。

將ANSYS求解方式設(shè)為非線(xiàn)性瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析,選用軸對(duì)稱(chēng)殼單元She1151,定義單元實(shí)常數(shù)、材料屬性和邊界條件,進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分。

運(yùn)用Load菜單尋找第一步熱分析中生成的rth文件,讀取節(jié)點(diǎn)溫度分布數(shù)據(jù),作為體載荷施加在節(jié)點(diǎn)上。

根據(jù)瞬態(tài)動(dòng)力分析的外載荷施加要求,設(shè)定初始條件,在波紋管軸向方向施加如圖3所示的時(shí)間載荷,圖中LS代表載荷步,如LSl表示第一步載荷施加過(guò)程,其余以此類(lèi)推。將每一載荷步及其加載控制選項(xiàng)存為一個(gè)文件,然后點(diǎn)取從文件求解菜單進(jìn)行運(yùn)算分析。

為介質(zhì)溫度300℃、時(shí)間在2s時(shí)的波紋管節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力圖。

從時(shí)間后處理器中定義新時(shí)間變量,然后繪圖顯示節(jié)點(diǎn)1105,1283的應(yīng)力一時(shí)間關(guān)系,此關(guān)系圖上的應(yīng)力值是按第三強(qiáng)度理論計(jì)算獲得的值。

    2.2 疲勞分析

    從節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力圖4上可看到,波谷和波峰的應(yīng)力變形最大,因此破損會(huì)從這兩個(gè)位置開(kāi)始。所以本文首先選取這兩處的一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞分析,即選取波紋管中間波峰上一個(gè)節(jié)點(diǎn)Node1105和波谷上一個(gè)節(jié)點(diǎn)Node2461。此外為了全面了解波紋管的性能,本文還選取了波峰與波谷之間的一個(gè)節(jié)點(diǎn)Nodel283進(jìn)行疲勞分析。

    根據(jù)圖1波紋管材料疲勞曲線(xiàn)圖,定義材料疲勞屬性,定義節(jié)點(diǎn)數(shù)為3、事件數(shù)為3、每一事件的載荷步為10。節(jié)點(diǎn)1105疲勞分析為事件1,節(jié)點(diǎn)1283為事件2,節(jié)點(diǎn)2461為事件3,取1~lOs中的整數(shù)秒時(shí)間的載荷為10個(gè)載荷步。由于殼單元She1151的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力并不能直接在結(jié)果文件輸出,所以采用手工輸入節(jié)點(diǎn)不同的載荷步的應(yīng)力。將載荷循環(huán)次數(shù)設(shè)為10 000,運(yùn)算求解,將結(jié)果進(jìn)行整理歸納.

   從表3可得出,由于波紋管的特殊結(jié)構(gòu),波紋管在波谷、波峰與兩者之間部位的使用壽命存在較大的差別。在波峰、波谷處以剪切變形為主,彎曲變形為輔,在波峰與波谷之間以彎曲變形為主,剪切變形為輔,并且從應(yīng)力圖4可看出,波峰、波谷的應(yīng)力比其他位置的應(yīng)力大得多。所以波紋管疲勞分析的難點(diǎn)在于選擇合適的模型以及對(duì)應(yīng)的單元類(lèi)型來(lái)模擬這些特點(diǎn)。這些在以往的數(shù)值公式中都無(wú)法準(zhǔn)確考慮。

    2.3結(jié)果分析

    所示為自制波紋管疲勞壽命實(shí)驗(yàn)裝置原理圖,采用水壓加壓方式模擬蒸氣閥門(mén)工作狀態(tài),活塞每分鐘往返2次,經(jīng)過(guò)52.3h波紋管破損?？傃h(huán)次數(shù)為6276次,與計(jì)算機(jī)分析Node1105結(jié)果非常接近。兩者差距是由于實(shí)驗(yàn)時(shí)連續(xù)進(jìn)行所帶來(lái)的高溫引起材料的硬化和蠕變產(chǎn)生的。因此計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果較接近實(shí)際應(yīng)用。

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