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 來源:互聯網
前言
隨著科學技術的發展,對工業設備關鍵結構的疲勞性能要求更加突出,而這些關鍵結構的壽命主要決定于其重要結構細節,如孔、圓角及幾何不連續處等。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:試驗法和試驗分析法。試驗法完全依賴于試驗,它直接通過與實際情況相同或相似的試驗來獲取所需要的疲勞數據。這種方法雖然可靠,但是花費大,工作周期長。而試驗分析法中的有限元仿真技術已經在一些重要的工業領域(如汽車、航空航天和機器制造等)得到廣泛應用。與試驗法相比,有限元疲勞仿真計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,通過修改設計可以預先避免不合理的壽命分布。因此,它能夠減少試驗樣機的數量,縮短產品的開發周期,進而降低開發成本,提高市場競爭力。
要得到帶孔板的疲勞壽命,必須先得到帶孔板的應力場。對于帶孔板來說,特別突出的一個問題就是邊界區域的應力集中問題。準確的求解孔邊的應力是很困難的,特別是對于一些復雜孔形。因此,借助于有限元軟件MSC.Patran對帶孔板進行應力分析,再借助于疲勞分析軟件MSC.Fatigue對帶孔板進行疲勞壽命仿真。
1 試件材料參數
采用材料為LY12-CZ的中心開孔鋁板,帶孔板的名義厚度為4mm,長度方向為軋制方向,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)應力場仿真:
1)計算模型:在進行有限元分析時,取試件中間30mm的部分建立有限元模型進行分析,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力場,對孔口附近進行了網格細化。
模型左端施加固定約束,右端作用240N/mm的均勻拉力。
2)計算結果:帶孔板的孔口Mises應力云圖如圖4所示。
從圖4可以看到:孔邊的最大應力為225MPa。定義應力集中系數為孔邊最大應力和所受外載荷(拉應力)之比,則圓孔的應力集中系數為1.875。
b)疲勞壽命仿真:在得到了帶孔板孔邊應力場分布后,下面對拉伸試件的疲勞壽命進行仿真。
1)基于名義應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,也是應用最多的方法,它以材料或零件的應力為基礎,用雨流循環計數法和Palmgren-Miner線性累積損傷理論,進行全壽命分析。此方法應用于外加應力名義上在材料的彈性范圍內,而且材料的失效循環次數很高。此法最適于高周疲勞。
2)基本數據的輸入:幾何信息:將前面分析的有限元模型的應力場分布結果導入到數據庫中。
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,強度極限420MPa,通過軟件中的材料數據庫管理器PFMAT將其S-N曲線輸入到中心材料數據庫中,軟件自動生成該材料的S-N曲線圖(圖5)。
載荷信息:加載方式為應力控制,采用正弦波形疲勞等幅載荷譜,應力比R=0.1,加載頻率f=16Hz,最大名義應力為120MPa。
3)疲勞分析結果與驗證: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。文獻給出了LY12-CZ鋁合金帶孔板在應力比R=0.1,加載頻率f=16Hz,最大名義應力為120MPa下的一組試件(粗糙度為1.6μm)的疲勞壽命N,N=1.06E5~1.26E5。將仿真結果與試驗結果對比,可以看出,兩者是比較接近的,仿真結果稍許偏大,誤差在20%左右。造成這種結果的原因在于試驗件存在表面粗糙度,而仿真模型是光滑的,所以仿真結果要稍大于實驗結果。
式中:N——孔的疲勞壽命;Nn——光滑孔的疲勞壽命;Rz——孔的粗糙度。
根據式子可以計算出光滑孔的疲勞壽命N。=1.32E5~1.57E5,可見,仿真結果在該范圍之內,從而說明了仿真結果的正確,驗證了疲勞壽命仿真過程的正確性。
3 不同孔口形狀板的應力分布及疲勞壽命對比
為了研究不同孔形對帶孔板應力場和疲勞壽命的影響,又分別對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。仿真結果如圖7--圖10所示。
對于帶孔板來說,特別突出的一個問題就是邊界區域的應力集中問題。準確的求解孔周圍的應力是很困難的,特別是對于一些復雜孔形,而利用有限元軟件則可以解決這個問題,圖7、圖8給出了矩形孔板和六邊形孔板的應力場的有限元仿真結果。根據應力場結果,又可以得到它們的疲勞壽命,如圖9、圖10所示。
根據圖4、圖6以及圖7—圖10,總結3種孔形板的應力集中系數和疲勞壽命如表1所示。
從表1可以看出,應力集中系數在逐漸變小,疲勞壽命在逐漸增大,也就是說,在其他條件相同的情況下,隨著孔的形狀逐漸的趨于圓,孔邊的應力逐漸下降,疲勞壽命逐漸上升。這里是仿真所得數據,因此只能做一些定性的分析。分析結果與文獻中給出的結果一致。
4 結論
首先從有限元的角度對帶圓形孔的板的應力場及疲勞壽命進行了仿真,將仿真結果與疲勞實驗結果對比,驗證了該疲勞分析方法的正確性;其次用同樣的仿真方法對矩形孔板和六邊形孔板進行了應力場和疲勞壽命仿真,得出了3種不同孔口形狀的帶孔板的應力集中系數和疲勞壽命。
仿真結果表明:在其他條件相同的情況下,隨著孔的形狀逐漸的趨于圓,應力集中系數逐漸變小,疲勞壽命逐漸增大。
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