撿膜彈齒疲勞壽命的仿真分析

2013-06-15 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

進(jìn)入21世紀(jì),人們對(duì)傳統(tǒng)的強(qiáng)度(靜載荷作用,無缺陷材料的強(qiáng)度)已有充分地認(rèn)識(shí),工程中強(qiáng)度設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和積累也十分豐富,對(duì)于傳統(tǒng)強(qiáng)度的控制能力也大大增強(qiáng),然而由疲勞與斷裂引起的失效仍是工程中予以關(guān)注的問題。隨著斷裂力學(xué)的迅速發(fā)展,不僅促進(jìn)了斷裂控制方法的進(jìn)步,更使人們較深入地認(rèn)識(shí)了材料與結(jié)構(gòu)中疲勞裂紋的擴(kuò)展規(guī)律,促進(jìn)了抗疲勞設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。在各工程領(lǐng)域應(yīng)用疲勞與斷裂的研究成果,發(fā)展工程適用的抗疲勞、抗斷裂實(shí)用設(shè)計(jì)技術(shù),將是21世紀(jì)設(shè)計(jì)水平提高的重要標(biāo)志之一。MSC.Software為實(shí)現(xiàn)此技術(shù)提供了有限元計(jì)算分析軟件。本文采用一種預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)件疲勞壽命的新方法—疲勞壽命數(shù)值仿真分析方法,在計(jì)算機(jī)虛擬的現(xiàn)實(shí)環(huán)境下,以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、有限元法(FEM)等為基礎(chǔ),通過動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算,得到撿膜彈齒的動(dòng)應(yīng)力函數(shù),根據(jù)這些動(dòng)應(yīng)力分布情況,運(yùn)用MSC.Fatigue疲勞仿真計(jì)算分析軟件,對(duì)撿膜彈齒進(jìn)行疲勞壽命分析與優(yōu)化設(shè)計(jì).

一、疲勞壽命分析的理論依據(jù)

MSC.Fatigue中的疲勞壽命分析是以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)。裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力是應(yīng)力強(qiáng)度因子,它涵蓋了應(yīng)力和裂紋尺寸,特別描述了獨(dú)立于整個(gè)幾何體的裂紋尖端的應(yīng)力區(qū)域,數(shù)學(xué)公式表達(dá)為:

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式中K為應(yīng)力強(qiáng)度因子;f稱為幾何修正系數(shù),反映構(gòu)件和裂紋幾何尺寸對(duì)裂尖應(yīng)力場(chǎng)的影響,可以壓應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊(cè)查得,特別是對(duì)于承受拉伸的無限寬亡心裂紋板,f=l;對(duì)干無限寬單邊裂紋板,f=1.12。σ稱為承受的相應(yīng)平面上的正應(yīng)力(剪應(yīng)力);a為裂紋長(zhǎng)度。

但是對(duì)于實(shí)際結(jié)構(gòu)的有限尺寸幾何體,幾何修正系數(shù)可以用如下公式:

t為在裂紋方向上的構(gòu)件寬度;m1、m2、m3、m4、m5為前表面修正系數(shù),其值在1.03~1.1215之間。

對(duì)于給定的a,循環(huán)應(yīng)力幅△σ增大,即△K增大,則對(duì)于a-N曲線中,曲線斜率da/dN增大,故裂紋擴(kuò)展速率da/dN的控制變量是應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度△K,這就是Paris公式;

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式中C,N是描述材料疲勞裂紋擴(kuò)展性能的基本參數(shù),有實(shí)驗(yàn)確定,由(1)(2)(3)可得到如下公式

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從初始裂紋a0到{商界裂紋長(zhǎng)度ac積分,有

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解〔5)得到

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這就是疲勞裂紋擴(kuò)展壽命估算地基本公式,利用此方程,可以根據(jù)不同的需要進(jìn)行抗疲勞斷裂設(shè)計(jì)。

二、虛擬疲勞耐久性集成化分析過程

疲勞壽命計(jì)算需要知道載荷的變化歷史、結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)以及有關(guān)的材料性能參數(shù)或曲線,疲勞壽命計(jì)算的簡(jiǎn)單流程見圖1.

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用有限元計(jì)算隨機(jī)疲勞壽命分析,除了幾何信息來源于CAE之外,通常還需要兩方面的輸入:第一步是根據(jù)載荷和幾何結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變的變化歷史,對(duì)于一個(gè)實(shí)驗(yàn)工程構(gòu)件,通常在多個(gè)位置同時(shí)承受不同的動(dòng)態(tài)載荷,構(gòu)件的幾何形狀也很復(fù)雜,計(jì)算這樣一個(gè)動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng),是有限元分析的主要任務(wù)。一旦獲得應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng),結(jié)合材料性能參數(shù),就可以用不同的疲勞損傷模型進(jìn)行壽命計(jì)算,這就是第二步。疲勞壽命的理論預(yù)測(cè)精度既依賴于應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)的正確模擬,也依賴于損傷模型的合理使用。

三、撿膜彈齒的疲勞壽命分析

1. 檢膜彈齒的有限元模型

撿膜彈齒的三維有限元模型是應(yīng)用CAD造型軟件Solid works建立帶有質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等物理特征的模型,保存為ACIS格式的圖形又件。在通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口將模型導(dǎo)入到MSC.Paran中,可以看出,CAD軟件建立的模型,有時(shí)并不能順利導(dǎo)入有限元分析軟件(CAE)中去,要經(jīng)過多次地修改和消除CAD建模過程甲存在和隱含的造型和邏輯錯(cuò)誤。否則無法劃分有限單元網(wǎng)格,或劃分出來的不正確。

有限元分析首要和關(guān)鍵的一步是進(jìn)桿單元的網(wǎng)格劃分,有限元的分析模型要求結(jié)構(gòu)模型的點(diǎn)、線、畫、體的劃分嚴(yán)格正確無誤,本模型用10節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)休單元(TETlOElement)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,一共有27543個(gè)單無,50056個(gè)接點(diǎn)。最后通過使用Equivalence操作來消除公共節(jié)點(diǎn),以保證幾何相鄰處的單元協(xié)調(diào)一致。

2. 模型載荷

最大載荷為220N,加載波形為半正弦波,加載頻率為1HZ,載荷比R=0,加載方式為彈齒端部的集中載荷(如圖2).

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3材料性能

MSCFatigue自帶一個(gè)種類較齊全的材料數(shù)據(jù)庫(kù),在沒有自己的疲勞材料數(shù)握庫(kù)的情況下,可以根據(jù)已知的材料彈性模量仁、抗拉極限UTS,在該數(shù)據(jù)庫(kù)中找到對(duì)應(yīng)的材料牌號(hào)。撿膜彈齒的材料為55SiMnVB,它是一種疲勞強(qiáng)度高、彈性好的材料E=196GPa,μ=0.3,ρ=7860kg/m³,σ=735MPa,τ=440MPa,材料的S-N曲線如圖3.

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4靜應(yīng)力分析

在靜力分析中,需要計(jì)算彈齒模型在每個(gè)單位載荷下的應(yīng)力分布,并將結(jié)果保存為.OP2格式的結(jié)果文件,該又件作為疲勞分析的一個(gè)輸入?yún)?shù),圖4為撿膜彈齒的靜應(yīng)力云紋變形圖,由圖4知最大應(yīng)力在撿膜彈齒的根部,最大為4.95E2Mpa.

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5.疲勞分析

由于撿膜彈齒工作時(shí)應(yīng)力不大、角速度很大,這種情況屬于低應(yīng)力、高循環(huán)的疲勞問題,材料所受的交變應(yīng)力原低于材料的屈服極限,在工程上稱為高周疲勞。通常用S-N曲線來進(jìn)行該材料的疲勞分析。

根據(jù)激勵(lì)載荷譜、材料的5一閃曲線得到模型的疲勞壽命分布,如圖5所示。在最小壽命處,其值僅為105.45,而該設(shè)備的轉(zhuǎn)速為150r/min,所以撿膜彈齒工作31個(gè)多小時(shí)就開始出現(xiàn)疲勞折斷,顯然遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)要求,必須進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。表1為最容易出現(xiàn)疲勞破壞的點(diǎn)。

由以上的疲勞壽命結(jié)果云圖可以看處,最危險(xiǎn)點(diǎn)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)12533處,也是應(yīng)力最高的地方,這與實(shí)際試驗(yàn)中出現(xiàn)在此折斷的現(xiàn)象相符。但因其使用壽命太短,顯然遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)要求,必須進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

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6.優(yōu)化設(shè)計(jì)

點(diǎn)擊MSC.Fatigue中的Optimize按鈕,進(jìn)入優(yōu)化程序,選擇撿膜彈齒上最危險(xiǎn)的節(jié)點(diǎn)作為優(yōu)化目標(biāo),設(shè)定設(shè)計(jì)壽命為1E6次,這是一個(gè)高周期循環(huán)。在出現(xiàn)地窗口中,得比例因子為0.8246(如圖6),即如果將1E6作為設(shè)計(jì)壽命,那么載荷就要減少為初始的0.8246倍那么就需要減少入土深度,這是所不允許的。

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