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2013-06-05 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
第二章 疲勞程序
2.1 基本情況
進(jìn)行疲勞分析是基于線性靜力分析,所以不必對(duì)所有的步驟進(jìn)行詳盡的闡述。
疲勞分析是在線性靜力分析之后,通過(guò)設(shè)計(jì)仿真自動(dòng)執(zhí)行的。對(duì)疲勞工具的添加,無(wú)論在求解之前還是之后,都沒(méi)有關(guān)系,因?yàn)槠谟?jì)算不并依賴應(yīng)力分析計(jì)算。盡管疲勞與循環(huán)或重復(fù)載荷有關(guān),但使用的結(jié)果卻基于線性靜力分析,而不是諧分析。盡管在模型中也可能存在非線性,處理時(shí)就要謹(jǐn)慎了,因?yàn)槠诜治鍪羌僭O(shè)線性行為的。
在本章中,將涵蓋關(guān)于恒定振幅、比例載荷的情況。而變化振幅、比例載荷的情況和恒定振幅、非比例載荷的情況,將分別在以后的第三和四章中逐一討論。
2.1.1 疲勞程序
下面是疲勞分析的步驟,用斜體字體所描述的步驟,對(duì)于包含疲勞工具的應(yīng)力分析是很特殊的:
模型
指定材料特性,包括S-N曲線;
定義接觸區(qū)域(若采用的話);
定義網(wǎng)格控制(可選的);
包括載荷和支撐;
(設(shè)定)需要的結(jié)果,包括Fatigue tool;
求解模型;
查看結(jié)果。
在幾何方面,疲勞計(jì)算只支持體和面,線模型目前還不能輸出應(yīng)力結(jié)果,所以疲勞計(jì)算對(duì)于線是忽略的,線仍然可以包括在模型中以給結(jié)構(gòu)提供剛性,但在疲勞分析并不計(jì)算線模型。
2.1.2 材料特性
由于有線性靜力分析,所以需要用到楊氏模量和泊松比:如果有慣性載荷,則需要輸入質(zhì)量密度;如果有熱載荷,則需要輸入熱膨脹系數(shù)和熱傳導(dǎo)率;如果使用應(yīng)力工具結(jié)果(Stress Tool result),那么就需要輸入應(yīng)力極限數(shù)據(jù),而且這個(gè)數(shù)據(jù)也是用于平均應(yīng)力修正理論疲勞分析。
疲勞模塊也需要使用到在工程數(shù)據(jù)分支下的材料特性當(dāng)中S-N曲線數(shù)據(jù):數(shù)據(jù)類型在“疲勞特性”(“Fatigue Properties”)下會(huì)說(shuō)明;S-N曲線數(shù)據(jù)是在材料特性分支條下的“交變應(yīng)力與循環(huán)”(“Alternating Stress vs. Cycles”)選項(xiàng)中輸入的。
如果S-N曲線材料數(shù)據(jù)可用于不同的平均應(yīng)力或應(yīng)力比下的情況, 那么多重S-N曲線也可以輸入到程序中。
2.1.3 疲勞材料特性
添加和修改疲勞材料特性:
在材料特性的工作列表中,可以定義下列類型和輸入的S-N曲線,插入的圖表可以是線性的(“Linear”)、半對(duì)數(shù)的(“Semi-Log”即linear for stress, log for cycles)或雙對(duì)數(shù)曲線(“Log-Log”)。
記得曾提到的,S-N曲線取決于平均應(yīng)力。如果S-N曲線在不同的平均應(yīng)力下都可適用的,那么也可以輸入多重S-N曲線,每個(gè)S-N曲線可以在不同平均應(yīng)力下直接輸入,每個(gè)S-N曲線也可以在不同應(yīng)力比下輸入。
可以通過(guò)在“Mean Value”上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵添加新的平均值來(lái)輸入多條S-N曲線。
2.1.4 疲勞特征曲線
材料特性信息可以保存XML文件或從XML文件提取,保存材料數(shù)據(jù)文件,在material條上按右鍵,然后用“Export …”保存成XML外部文件,疲勞材料特性將自動(dòng)寫(xiě)到XML文件中,就像其他材料數(shù)據(jù)一樣。
一些例舉的材料特性在如下安裝路徑下可以找到:C:\ProgramFiles\AnsysInc\v80\AISOL\CommonFiles\Language\en-us\EngineeringData\Materials,“Aluminum”和“Structural Steel”的XML文件,包含有范例疲勞數(shù)據(jù)可以作為參考,疲勞數(shù)據(jù)隨著材料和測(cè)試方法的不同而有所變化,所以很重要一點(diǎn)就是,用戶要選用能代表自己部件疲勞性能的數(shù)據(jù)
2.1.5 接觸區(qū)域
接觸區(qū)域可以包括在疲勞分析中,注意,對(duì)于在恒定振幅、成比例載荷情況下處理疲勞時(shí),只能包含綁定(Bonded)和不分離(No-Separation)的線性接觸,盡管無(wú)摩擦、有摩擦和粗糙的非線性接觸也能夠包括在內(nèi),但可能不再滿足成比例載荷的要求。例如,改變載荷的方向或大小,如果發(fā)生分離,則可能導(dǎo)致主應(yīng)力軸向發(fā)生改變;如果有非線性接觸發(fā)生,那么用戶必須小心使用,并且仔細(xì)判斷;對(duì)于非線性接觸,若是在恒定振幅的情況下,則可以采用非比例載荷的方法代替計(jì)算疲勞壽命。
2.1.6 載荷與支撐
能產(chǎn)生成比例載荷的任何載荷和支撐都可能使用,但有些類型的載荷和支撐不造成比例載荷:螺栓載荷對(duì)壓縮圓柱表面?zhèn)仁┘泳剂?相反,圓柱的相反一側(cè)的載荷將改變;預(yù)緊螺栓載荷首先施加預(yù)緊載荷,然后是外載荷,所以這種載荷是分為兩個(gè)載荷步作用的過(guò)程;壓縮支撐(Compression Only Support)僅阻止壓縮法線正方向的移動(dòng),但也不會(huì)限制反方向的移動(dòng),像這些類型的載荷最好不要用于恒定振幅和比例載荷的疲勞計(jì)算。
2.1.7 (設(shè)定)需要的結(jié)果
對(duì)于應(yīng)力分析的任何類型結(jié)果,都可能需要用到:應(yīng)力、應(yīng)變和變形–接觸結(jié)果(如果版本支持);應(yīng)力工具(Stress Tool)。
另外,進(jìn)行疲勞計(jì)算時(shí),需要插入疲勞工具條(Fatigue Tool):在Solution子菜單下,從相關(guān)的工具條上添加“Tools > Fatigue Tool”,Fatigue Tool的明細(xì)窗中將控制疲勞計(jì)算的求解選項(xiàng);疲勞工具條(Fatigue Tool)將出現(xiàn)在相應(yīng)的位置中,并且也可添加相應(yīng)的疲勞云圖或結(jié)果曲線,這些是在分析中會(huì)被用到的疲勞結(jié)果,如壽命和破壞。
2.1.8 需要的結(jié)果
在疲勞計(jì)算被詳細(xì)地定義以后,疲勞結(jié)果可下在Fatigue Tool下指定;等值線結(jié)果(Contour)包括Lifes(壽命),Damage(損傷),Safety Factor(安全系數(shù)),BiaxialityIndication(雙軸指示),以及Equivalent Alternating Stress(等效交變應(yīng)力);曲線圖結(jié)果(graph results))僅包含對(duì)于恒定振幅分析的疲勞敏感性(fatigue sensitivity);這些結(jié)果的詳細(xì)分析將只做簡(jiǎn)短討論。
2.2 Fatigue Tool
2.2.1 載荷類型
當(dāng)Fatigue Tool在求解子菜單下插入以后,就可以在細(xì)節(jié)欄中輸入疲勞說(shuō)明:載荷類型可以在“Zero-Based”、“Fully Reversed”和給定的“Ratio”之間定義;也可以輸入一個(gè)比例因子,來(lái)按比例縮放所有的應(yīng)力結(jié)果。
2.2.2 平均應(yīng)力影響
在前面曾提及,平均應(yīng)力會(huì)影響S-N曲線的結(jié)果. 而“Analysis Type”說(shuō)明了程序?qū)ζ骄鶓?yīng)力的處理方法:
“SN-None”:忽略平均應(yīng)力的影響
“SN-Mean Stress Curves”:使用多重S-N曲線(如果定義的話)“SN-Goodman,”“SN-Soderberg,”和“SN-Gerber”:可以使用平均應(yīng)力修正理論。
如果有可用的試驗(yàn)數(shù)據(jù),那么建議使用多重S-N曲線(SN-Mean Stress Curves);
但是,如果多重S-N曲線是不可用的,那么可以從三個(gè)平均應(yīng)力修正理論中選擇,這里的方法在于將定義的單S-N曲線“轉(zhuǎn)化”到考慮平均應(yīng)力的影響:
1.對(duì)于給定的疲勞循環(huán)次數(shù),隨著平均應(yīng)力的增加,應(yīng)力幅將有所降低;
2.隨著應(yīng)力幅趨近零,平均應(yīng)力將趨近于極限(屈服)強(qiáng)度;
3.盡管平均壓縮應(yīng)力通常能夠提供很多的好處,但保守地講,也存在著許多不利的因素(scaling=1=constant)。
Goodman理論適用于低韌性材料,對(duì)壓縮平均應(yīng)力沒(méi)能做修正,Soderberg理論比Goodman理論更保守,并且在有些情況下可用于脆性材料,Gerber理論能夠?qū)g性材料的拉伸平均應(yīng)力提供很好的擬合,但它不能正確地預(yù)測(cè)出壓縮平均應(yīng)力的有害影響,如下圖所示。
缺省的平均應(yīng)力修正理論可以從“Tools > Control Panel:Fatigue>Analysis Type”中進(jìn)行設(shè)置–如果存在多重S-N曲線,但用戶想要使用平均應(yīng)力修正理論,那么將會(huì)用到在σm=0或R=-1的S-N曲線。盡管如此,這種做法并不推薦。
2.2.3 強(qiáng)度因子
除了平均應(yīng)力的影響外,還有其它一些影響S-N曲線的因素,這些其它影響因素可以集中體現(xiàn)在疲勞強(qiáng)度(降低)因子Kf中,其值可以在Fatigue Tool的細(xì)節(jié)欄中輸入,這個(gè)值應(yīng)小于1,以便說(shuō)明實(shí)際部件和試件的差異,所計(jì)算的交變應(yīng)力將被這個(gè)修正因子Kf分開(kāi),而平均應(yīng)力卻保持不變。
2.2.4 應(yīng)力分析
在第一章中,注意到疲勞試驗(yàn)通常測(cè)定的是單軸應(yīng)力狀態(tài),必須把單軸應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換到一個(gè)標(biāo)量值,以決定某一應(yīng)力幅下(S-N曲線)的疲勞循環(huán)次數(shù)。Fatigue Tool細(xì)節(jié)欄中的應(yīng)力分量(“Stress Component”)允許用戶定義應(yīng)力結(jié)果如何與疲勞曲線S-N進(jìn)行比較。6個(gè)應(yīng)力分量的任何一個(gè)或最大剪切應(yīng)力、最大主應(yīng)力、或等效應(yīng)力也都可能被使用到。所定義的等效應(yīng)力標(biāo)示的是最大絕對(duì)主應(yīng)力,以便說(shuō)明壓縮平均應(yīng)力。
2.3 求解疲勞分析
疲勞計(jì)算將在應(yīng)力分析實(shí)施完以后自動(dòng)地進(jìn)行,與應(yīng)力分析計(jì)算相比,恒定振幅情況的疲勞計(jì)算通常會(huì)快得多。如果一個(gè)應(yīng)力分析已經(jīng)完成,那么僅選擇Solution或Fatigue Tool 分支并點(diǎn)擊Solve,便可開(kāi)始疲勞計(jì)算。在求解菜單中(solution branch)的工作表將沒(méi)有輸出顯示,疲勞計(jì)算在Workbench中進(jìn)行,ANSYS的求解器不會(huì)執(zhí)行分析中的疲勞部分,疲勞模塊沒(méi)有使用ANSYS /POST1的疲勞命令(FSxxxx, FTxxxx)。
2.4 查看疲勞結(jié)果
對(duì)于恒定振幅和比例載荷情況,有幾種類型的疲勞結(jié)果供選擇:
Life(壽命):等值線顯示由于疲勞作用直到失效的循環(huán)次數(shù),如果交變應(yīng)力比S-N曲線中定義的最低交變應(yīng)力低,則使用該壽命(循環(huán)次數(shù))(在本例中,S-N曲線失效的最大循環(huán)次數(shù)是1e6,于是那就是最大壽命。
Damage(損傷):設(shè)計(jì)壽命與可用壽命的比值,設(shè)計(jì)壽命在細(xì)節(jié)欄(Details view)中定義,設(shè)計(jì)壽命的缺省值可通過(guò)下面進(jìn)行定義“Tools > Control Panel:Fatigue > Design Life。
Safety Factor(安全系數(shù)):安全系數(shù)等值線是關(guān)于一個(gè)在給定設(shè)計(jì)壽命下的失效,設(shè)計(jì)壽命值在細(xì)節(jié)欄(Details view)輸入,給定最大安全系數(shù)SF值是15。
BiaxialityIndication:應(yīng)力雙軸等值線有助于確定局部的應(yīng)力狀態(tài),雙軸指示(Biaxialityindication)是較小與較大主應(yīng)力的比值(對(duì)于主應(yīng)力接近0的被忽略)。因此,單軸應(yīng)力局部區(qū)域?yàn)锽值為0,純剪切的為-1,雙軸的為1。
等效交變應(yīng)力(Equivalent Alternating Stress):等值線在模型上繪出了部件的等效交變應(yīng)力,它是基于所選擇應(yīng)力類型,在考慮了載荷類型和平均應(yīng)力影響后,用于詢問(wèn)(query)S-N曲線的應(yīng)力。
疲勞敏感性( Fatigue Sensitivity ):一個(gè)疲勞敏感曲線圖顯示出部件的壽命、損傷或安全系數(shù)在臨界區(qū)域隨載荷的變化而變化,能夠輸入載荷變化的極限(包括負(fù)比率),曲線圖的缺省選項(xiàng),“Tools menu > Options…Simulation:Fatigue>Sensitivity”。
任何疲勞選項(xiàng)的范圍可以是選定的部件(parts)和/或部件的表面,收斂性可用于等值線結(jié)果。收斂和警告對(duì)疲勞敏感性圖是無(wú)效的,因?yàn)檫@些圖提供關(guān)于載荷的敏感性(例如,沒(méi)有為了收斂目的而指定的標(biāo)量選項(xiàng))。
疲勞工具也可以與求解組合一起使用,在求解組合中,多重環(huán)境可能被組合。疲勞計(jì)算將基于不同環(huán)境的線性組合的結(jié)果。
2.5 總結(jié)
a 建立一個(gè)應(yīng)力分析(線性,比例載荷) b 定義疲勞材料特性,包括S-N曲線
c 定義載荷類型和平均應(yīng)力影響的處理 d 求解和后處理疲勞結(jié)果Solve and postprocessfatigue results
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