基于ANSYS workbench和designlife的多軸疲勞分析案例

2017-01-13 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

基于ANSYS workbench和designlife的多軸疲勞分析

今天為大家?guī)硪黄L文,探討的主題是用有限元軟件workbench和designlife分析工程實際中的疲勞問題。疲勞問題也屬于耐久性問題,是本人的主要研究方向。理論背景不作過多介紹,現(xiàn)給出幾個主要名詞解釋:

Designlife:ncode公司的一款CAE疲勞分析軟件,繼承了FE-Fatigue的特點。

金屬疲勞:是指材料、零構(gòu)件在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下,在一處或幾處逐漸產(chǎn)生局部永久性累積損傷,經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。

靜水應(yīng)力:在彈塑性力學(xué)中,常假設(shè)靜水壓力作用下,應(yīng)變與應(yīng)力服從彈性規(guī)律,并且不影響屈服(在特定的屈服準(zhǔn)則下 )。于是很自然地將應(yīng)力分量分成兩部分,一部分是平均正應(yīng)力,或稱靜水壓力,另一部分稱為偏量應(yīng)力張量。

多軸疲勞:多軸疲勞是指多向應(yīng)力或應(yīng)變作用下的疲勞,也稱為復(fù)合疲勞。

Dang Van準(zhǔn)則:基于宏觀和微觀尺度之間的一種多軸疲勞準(zhǔn)則。考慮靜水應(yīng)力和剪切應(yīng)力幅的線性組合。公式使用剪切應(yīng)力和靜水壓應(yīng)力,以及一個安定狀態(tài),來計算等效應(yīng)力并與一個閾值相比較。

1問題描述

在實際條件中,許多關(guān)鍵位置的結(jié)構(gòu)承受多軸載荷。即關(guān)鍵位置的應(yīng)力狀態(tài)有著多于一個的明顯主應(yīng)力,和/或主應(yīng)力方向隨著時間改變。使用ncode designlife軟件可以用來進(jìn)行主應(yīng)力狀態(tài)和多軸條件下的有限壽命疲勞計算(以后發(fā)帖介紹)。然而,有些組件,如發(fā)動機(jī)部件如連接桿和曲軸連桿,人們希望它們在壽命周期內(nèi)經(jīng)歷很高數(shù)量的載荷循環(huán)。設(shè)計這些部件的有限疲勞壽命是不現(xiàn)實的,更常用的方法是使用安全因子方法,這樣關(guān)鍵載荷循環(huán)可以和疲勞或耐久極限準(zhǔn)則進(jìn)行比較。簡單的單軸安全因子方法對許多情形都適用,但是當(dāng)載荷是多軸,尤其是不成比例的時候,我們需要一種更復(fù)雜的方法,如Dang Van模型。Dang Van準(zhǔn)則的目的是處理損傷非常微小時的高周疲勞情形。

這篇文章探討同時受彎力和扭力作用的軸的疲勞分析。軸是用SAE1045號鋼制成的(國內(nèi)45號鋼),被美國汽車工程師協(xié)會的疲勞設(shè)計和評估委員會用于外延的國際標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)試驗。其幾何參數(shù)如下圖。

2有限元分析

我們首先思考如何開展仿真。比如,用設(shè)計軟件如SolidWorks,UG等畫出模型,轉(zhuǎn)成中間格式導(dǎo)入ANSYS workbench的靜力結(jié)構(gòu)模塊分析;有兩個主要載荷,分兩個載荷步施加,施加的位置和方向已經(jīng)明確,約束是固定約束;網(wǎng)格畫成什么類型,在何處細(xì)化,等等。

2.1模型準(zhǔn)備

在SW中繪制模型:

2.2網(wǎng)格劃分

我們因為預(yù)先知道,軸同時受彎和扭,應(yīng)力最大處應(yīng)該會發(fā)生在軸頸和軸連接處,因此我們特意細(xì)化這些部位的網(wǎng)格。如果事先不知道應(yīng)力分布,也可根據(jù)首次求解結(jié)果來重新劃分網(wǎng)格。

整體網(wǎng)格:

截面網(wǎng)格:

因為疲勞發(fā)生在材料表層,實際重點關(guān)注的是表面網(wǎng)格,可以用加上膨脹層(inflation)的辦法來畫精細(xì)的表面網(wǎng)格,不過這樣整體網(wǎng)格劃分方法會變?yōu)樗拿骟w。

膨脹層截面:

加上膨脹層之后,單元數(shù)量從5萬上升到16萬,從計算效率上來講,我們還是采用不加膨脹層的網(wǎng)格,更何況我們還有自適應(yīng)網(wǎng)格這一工具可以利用。

2.3邊界條件定義

在靜力結(jié)構(gòu)模塊中添加約束和載荷情況:

設(shè)置載荷步控制,這里2個載荷分2個載荷步施加:

第一個載荷——彎力的施加:

第二個載荷——扭力的施加:

兩個載荷都用表格數(shù)據(jù)輸入即可。載荷合并后如圖所示:

注意這里其實并沒有任何一個時刻軸是受2個載荷同時作用的,在靜力分析中我們只需要將2個載荷的單獨施加情況分別作為一個載荷步求解(1s和2s),在ncode中進(jìn)行疲勞分析會將這兩個結(jié)果進(jìn)行線性疊加。

接下來設(shè)置自適應(yīng)網(wǎng)格,細(xì)化步數(shù)為3步,精度為2。

在von mises應(yīng)力下插入收斂準(zhǔn)則:

2.4求解與分析

查看von mises應(yīng)力結(jié)果,注意這里有2個載荷步,受不同載荷。默認(rèn)只會顯示最后一步,需要手動查看之前的載荷步。

第一步最大應(yīng)力為35.377Mpa,發(fā)生在受擠壓一側(cè)的軸頸與軸連接處(圖中有一個白點,ANSYS用來表示箭頭所指的實際位置是在模型另一側(cè))。

應(yīng)變結(jié)果,是符合預(yù)期的:

第二步受扭,應(yīng)力結(jié)果并不明顯,如圖:

應(yīng)變結(jié)果中可以看出軸表面變形比中央大:

我們放大一下關(guān)注應(yīng)力細(xì)節(jié):

可以從圖中看出,應(yīng)力集中處的網(wǎng)格已經(jīng)重新劃分過了。使用這種方法基本可以保證不會發(fā)生應(yīng)力奇異的現(xiàn)象。表中的數(shù)據(jù)顯示兩個載荷步都只細(xì)化了一次,就滿足了我們的設(shè)定的5%的收斂目標(biāo)。

通過ANSYS workbench中的分析,我們獲得了軸在彎扭作用下的響應(yīng)。我們在***\dangvan_files\dp0\SYS\MECH文件夾找到后綴為.rst的分析結(jié)果文件,用來在ncode中打開作為有限元輸入。其中***表示保存的目錄。

3 designlife疲勞分析

3.1概述

一般來說ANSYS workbench典型的流程是在workbench左側(cè)的菜單中找到designlife EN 時間序列功能,連接solution模塊(需要事先安裝ncode16.0)。

但是需要注意,用這種方法進(jìn)入designlife以后,軟件自動準(zhǔn)備了一套復(fù)雜流程,如下圖所示,不利于學(xué)習(xí)。這個案例中我們單獨啟動ncode,自己選擇需要的模塊。

首先簡單介紹ncode的典型分析方法,稱為5-box trick:

從5-box trick中,我們知道:

1.每個案例中,結(jié)構(gòu)所受到的載荷環(huán)境必須定義(Loading History);

2.必須有幾何因素或者描述(Geometry)。它可能是疲勞強(qiáng)度換算系數(shù)(Kf)或者柔度函數(shù)(Y)的形式,或者是有限元分析的結(jié)果(大多數(shù)情況下);

3.材料對周期性載荷的響應(yīng)必須被定義(Material Data),以S-N曲線、應(yīng)變-壽命和周期應(yīng)力-應(yīng)變曲線表示,或者帕里斯函數(shù);

4.這三個輸入框通過每周疲勞分析合并,并給出初始結(jié)果。

常用模塊圖標(biāo)如下所示:

有限元輸入,輸入有限元模型

SN CAE 疲勞,進(jìn)行逐周分析

熱點探測,識別模型中的關(guān)鍵區(qū)域

有限元顯示,以圖形形式顯示有限元模型

數(shù)據(jù)值顯示,以表格形式顯示分析結(jié)果

這個案例將對這個部件進(jìn)行多軸安全因子分析以確定它是否能用于實際工程使用。設(shè)計目標(biāo)是這個部件必須在載荷歷程的作用下具有無限重復(fù)的壽命,安全因子為1.05。

下面開始具體分析。

3.2模型輸入

在designlife中創(chuàng)建疲勞分析流,首先我們插入一個有限元輸入(FE Input)模塊,導(dǎo)入上一步準(zhǔn)備的rst結(jié)果文件,查看應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果:

彎力結(jié)果:

扭力結(jié)果

再拖動一個數(shù)據(jù)輸入窗口到工作區(qū),插入測試數(shù)據(jù):

從測試數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)屬性可以看出采樣率、采樣點等信息。

添加Dang Van疲勞模塊并連接,這個模塊的作用就是使用Dang Van模型計算安全因子:

Dang Van疲勞模塊有三個輸出端口。從上到下分別為:適合有限元顯示的壓縮結(jié)果;完整結(jié)果數(shù)據(jù)值顯示;最差實體Dang Van(分散)繪圖。

分別連接三個模塊到響應(yīng)端口,連接完畢的分析流程如圖所示?？梢钥闯?除了最后一個XY圖用來顯示最差實體Dang Van(分散)繪圖以外,剛好是5-boxes。

3.3建立材料映射

在DangVan分析模塊上右鍵點擊選擇編輯材料映射,這個選項使用一些已有的經(jīng)驗規(guī)則來生成DangVan模型中的參數(shù)a和b。

理論部分(可以略過):

關(guān)于估計Dang Van參數(shù)a和b的文獻(xiàn)中沒有給出明確的關(guān)系,但是我們可以利用觀察到的金屬(主要是鋼)的彎曲耐久極限和扭轉(zhuǎn)耐久極限之間的關(guān)系,結(jié)合一些疲勞和靜態(tài)行為之間的聯(lián)系。

從彈性理論中我們知道受靜載荷時抗扭強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的比值是0.577。在疲勞分析中,觀察到這個值在一定范圍內(nèi)變動,取決于材料性質(zhì)和試樣的尺寸。CETIM對抗拉強(qiáng)度為350至2000MPa之間的鋼材的大約500個疲勞試驗結(jié)果進(jìn)行了搜集,發(fā)現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)彎曲的耐久極限(R=-1)之間平均比例為0.6。Moore, Jasper 和Mac Adam同樣觀察這個比值處于到0.44-0.71的范圍。F?ppl觀察到鋼的范圍是0.48-0.75,而鋁合金的范圍是0.54-0.65。

我們使用F?ppl關(guān)系來計算Dang Van參數(shù),因為它與可用的數(shù)據(jù)聯(lián)系緊密。對于鋼,扭轉(zhuǎn)(t)和旋轉(zhuǎn)彎曲(f)極限的平均比例是(0.48 0.75)/2=0.615。Dang Van線中a的斜率由下式給出:a= [3*(t-f/2)]/f = [3*(0.615-0.5)*f]/f = 0.345,f通常近似認(rèn)為是0.5倍抗拉強(qiáng)度(UTS),而且對于抗拉強(qiáng)度低于1400MPa的鋼材我們可以使用f=0.45倍UTS作為保守估計。

這使得b= 0.615*0.45 UTS = 0.28 UTS。對于UTS > 1400 MPa,f = 700 MPa,所以 b = 0.615*700 = 430 MPa。那么作為初步估計我們使用a=0.35UTS,b=0.28UTS(UTS < 1400 MPa),其他情形b=430 MPa。

一些實驗結(jié)果總結(jié)如下(大部分來自于Papadopoulos的論文):

、

注:平均a = 0.36, t/f = 0.62。

(理論部分結(jié)束)

右鍵點擊Dang Van模塊,選擇建立材料映射。點擊generate新建一種材料,輸入材料名稱,如sae_shaft,數(shù)據(jù)集類型默認(rèn)為Dang Van無需更改,材料類型為鐵類,輸入抗拉極限621Mpa,點擊確定。自動生成的材料屬性如下:

Dang Van閾值線隨著靜水應(yīng)力敏感性下降,b通過扭轉(zhuǎn)持久極限TAFE定義。

3.4建立載荷映射

同樣在DangVan分析模塊上右鍵點擊選擇編輯載荷映射,下方的時序數(shù)據(jù)可以拖動至右上,分配給每個算例:

在載荷指定的比例因子(Scale Factor)一欄中,對兩個載荷都輸入1000。這是因為采樣點較多,需要分割時間序列,做平均化處理,這樣使得對有限元模塊施加的時序載荷連續(xù)。

在DangVan分析模塊上右鍵點擊選擇屬性,進(jìn)行其他設(shè)置。分析組_殼層設(shè)置為頂層,因為我們只需要殼單元一個表面的結(jié)果。這個設(shè)置可以減少分析時間,同時減小后處理時的負(fù)荷。分析組_求解位置設(shè)置為單元。

開始求解。

3.5結(jié)果分析

安全因子云圖:

DangVan分散繪圖:

這張圖代表了載荷路徑是如何沿著靜水壓力分布的,同時與疲勞閾值判據(jù)進(jìn)行比較。如果紅色的分散繪圖穿過了藍(lán)色的對角線,失效就會發(fā)生。

數(shù)據(jù)值顯示模塊列出了所有單元的安全因子。安全因子小于1預(yù)示著會發(fā)生失效,這個例子中所有的安全因子都是大于1的。最差單元的安全因子為1.098,是滿足設(shè)計要求1.05的。

3.6結(jié)果對比

如果應(yīng)力分析使用NASTRAN軟件,我們可以將疲勞分析的結(jié)果進(jìn)行對比。采用兩個載荷算例,分別代表1000N的彎力載荷(如下圖施加)和一個1000N·mm的扭力載荷,施加在相同位置。

軸的幾何體用六面體和五面體實體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。靠近缺口根部的區(qū)域經(jīng)過了細(xì)化。因為我們需要精確的表面應(yīng)力用于疲勞損傷計算,軸模型表層覆蓋一層薄的殼單元,它們的材料屬性和實體單元一樣。盡管殼單元增加了計算時間,它們也增加了表面應(yīng)力預(yù)測的精度,而無需從次表面的高斯點進(jìn)行外插。殼體單元應(yīng)當(dāng)足夠薄,這樣不會影響固體單元的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。總共有22140個單元,其中3852個是殼體單元。