搜索基于MSC.Fatigue的帶孔板疲勞壽命仿真
2017-07-04 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
前言
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)工業(yè)設(shè)備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的疲勞性能要求更加突出,而這些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的壽命主要決定于其重要結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),如孔、圓角及幾何不連續(xù)處等。其中孔的疲勞破壞是損傷最普遍的形式之一,約占總失效的50%~90%。因此,孔的疲勞壽命將直接影響設(shè)備的使用性能和可靠性。
確定帶孔板疲勞壽命的方法主要有兩類:試驗(yàn)法和試驗(yàn)分析法。試驗(yàn)法完全依賴于試驗(yàn),它直接通過(guò)與實(shí)際情況相同或相似的試驗(yàn)來(lái)獲取所需要的疲勞數(shù)據(jù)。這種方法雖然可靠,但是花費(fèi)大,工作周期長(zhǎng)。而試驗(yàn)分析法中的有限元仿真技術(shù)已經(jīng)在一些重要的工業(yè)領(lǐng)域(如汽車(chē)、航空航天和機(jī)器制造等)得到廣泛應(yīng)用。與試驗(yàn)法相比,有限元疲勞仿真計(jì)算能夠提供零部件表面的疲勞壽命分布,判斷零部件的疲勞壽命薄弱位置,通過(guò)修改設(shè)計(jì)可以預(yù)先避免不合理的壽命分布。因此,它能夠減少試驗(yàn)樣機(jī)的數(shù)量,縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期,進(jìn)而降低開(kāi)發(fā)成本,提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
要得到帶孔板的疲勞壽命,必須先得到帶孔板的應(yīng)力場(chǎng)。對(duì)于帶孔板來(lái)說(shuō),特別突出的一個(gè)問(wèn)題就是邊界區(qū)域的應(yīng)力集中問(wèn)題。準(zhǔn)確的求解孔邊的應(yīng)力是很困難的,特別是對(duì)于一些復(fù)雜孔形。因此,借助于有限元軟件MSC.Patran對(duì)帶孔板進(jìn)行應(yīng)力分析,再借助于疲勞分析軟件MSC.Fatigue對(duì)帶孔板進(jìn)行疲勞壽命仿真。
1 試件材料參數(shù)
采用材料為L(zhǎng)Y12-CZ的中心開(kāi)孔鋁板,帶孔板的名義厚度為4mm,長(zhǎng)度方向?yàn)檐堉品较?具體尺寸如圖1所示。
2 帶圓孔板的疲勞壽命仿真
仿真的流程如圖2所示。
a)應(yīng)力場(chǎng)仿真:
1)計(jì)算模型:在進(jìn)行有限元分析時(shí),取試件中間30mm的部分建立有限元模型進(jìn)行分析,如圖3所示,顯示的是1/2模型。為了更好地研究孔口附近的應(yīng)力場(chǎng),對(duì)孔口附近進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。
模型左端施加固定約束,右端作用240N/mm的均勻拉力。
2)計(jì)算結(jié)果:帶孔板的孔口Mises應(yīng)力云圖如圖4所示。
從圖4可以看到:孔邊的最大應(yīng)力為225MPa。定義應(yīng)力集中系數(shù)為孔邊最大應(yīng)力和所受外載荷(拉應(yīng)力)之比,則圓孔的應(yīng)力集中系數(shù)為1.875。
b)疲勞壽命仿真:在得到了帶孔板孔邊應(yīng)力場(chǎng)分布后,下面對(duì)拉伸試件的疲勞壽命進(jìn)行仿真。
1)基于名義應(yīng)力法的全壽命疲勞分析:全壽命(S-N)分析是疲勞壽命分析最基本,也是應(yīng)用最多的方法,它以材料或零件的應(yīng)力為基礎(chǔ),用雨流循環(huán)計(jì)數(shù)法和Palmgren-Miner線性累積損傷理論,進(jìn)行全壽命分析。此方法應(yīng)用于外加應(yīng)力名義上在材料的彈性范圍內(nèi),而且材料的失效循環(huán)次數(shù)很高。此法最適于高周疲勞。
2)基本數(shù)據(jù)的輸入:幾何信息:將前面分析的有限元模型的應(yīng)力場(chǎng)分布結(jié)果導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。
材料特性:采用LY12-CZ鋁合金材料,彈性模量為68E3,泊松比為0.33,屈服極限275MPa,強(qiáng)度極限420MPa,通過(guò)軟件中的材料數(shù)據(jù)庫(kù)管理器PFMAT將其S-N曲線輸入到中心材料數(shù)據(jù)庫(kù)中,軟件自動(dòng)生成該材料的S-N曲線圖(圖5)。
載荷信息:加載方式為應(yīng)力控制,采用正弦波形疲勞等幅載荷譜,應(yīng)力比R=0.1,加載頻率f=16Hz,最大名義應(yīng)力為120MPa。
3)疲勞分析結(jié)果與驗(yàn)證:圖6為帶孔板的疲勞壽命云圖。
從圖中可以看出,此帶孔板的疲勞壽命為1.37E5。文獻(xiàn)給出了LY12-CZ鋁合金帶孔板在應(yīng)力比R=0.1,加載頻率f=16Hz,最大名義應(yīng)力為120MPa下的一組試件(粗糙度為1.6μm)的疲勞壽命N,N=1.06E5~1.26E5。將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,可以看出,兩者是比較接近的,仿真結(jié)果稍許偏大,誤差在20%左右。造成這種結(jié)果的原因在于試驗(yàn)件存在表面粗糙度,而仿真模型是光滑的,所以仿真結(jié)果要稍大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
式中:N——孔的疲勞壽命;Nn——光滑孔的疲勞壽命;Rz——孔的粗糙度。
根據(jù)式子可以計(jì)算出光滑孔的疲勞壽命N。=1.32E5~1.57E5,可見(jiàn),仿真結(jié)果在該范圍之內(nèi),從而說(shuō)明了仿真結(jié)果的正確,驗(yàn)證了疲勞壽命仿真過(guò)程的正確性。
3 不同孔口形狀板的應(yīng)力分布及疲勞壽命對(duì)比
為了研究不同孔形對(duì)帶孔板應(yīng)力場(chǎng)和疲勞壽命的影響,又分別對(duì)矩形孔板和六邊形孔板做了疲勞壽命仿真。鑒于前面帶圓孔板疲勞仿真的正確性,這里對(duì)矩形孔板和六邊形孔板采用與帶圓孔板相同的仿真條件和方法,這樣才具有一定的可信度。仿真結(jié)果如圖7--圖10所示。
對(duì)于帶孔板來(lái)說(shuō),特別突出的一個(gè)問(wèn)題就是邊界區(qū)域的應(yīng)力集中問(wèn)題。準(zhǔn)確的求解孔周?chē)膽?yīng)力是很困難的,特別是對(duì)于一些復(fù)雜孔形,而利用有限元軟件則可以解決這個(gè)問(wèn)題,圖7、圖8給出了矩形孔板和六邊形孔板的應(yīng)力場(chǎng)的有限元仿真結(jié)果。根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果,又可以得到它們的疲勞壽命,如圖9、圖10所示。
根據(jù)圖4、圖6以及圖7—圖10,總結(jié)3種孔形板的應(yīng)力集中系數(shù)和疲勞壽命如表1所示。
從表1可以看出,應(yīng)力集中系數(shù)在逐漸變小,疲勞壽命在逐漸增大,也就是說(shuō),在其他條件相同的情況下,隨著孔的形狀逐漸的趨于圓,孔邊的應(yīng)力逐漸下降,疲勞壽命逐漸上升。這里是仿真所得數(shù)據(jù),因此只能做一些定性的分析。分析結(jié)果與文獻(xiàn)中給出的結(jié)果一致。
4 結(jié)論
首先從有限元的角度對(duì)帶圓形孔的板的應(yīng)力場(chǎng)及疲勞壽命進(jìn)行了仿真,將仿真結(jié)果與疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了該疲勞分析方法的正確性;其次用同樣的仿真方法對(duì)矩形孔板和六邊形孔板進(jìn)行了應(yīng)力場(chǎng)和疲勞壽命仿真,得出了3種不同孔口形狀的帶孔板的應(yīng)力集中系數(shù)和疲勞壽命。
仿真結(jié)果表明:在其他條件相同的情況下,隨著孔的形狀逐漸的趨于圓,應(yīng)力集中系數(shù)逐漸變小,疲勞壽命逐漸增大。
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