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(lián)網(wǎng)

前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對工業(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),它直接通過與實(shí)際情況相同或相似的試驗(yàn)來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。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、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)品的開發(fā)周期,進(jìn)而降低開發(fā)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(yīng)力場。對于帶孔板來說,特別突出的一個(gè)問題就是邊界區(qū)域的應(yīng)力集中問題。準(zhǔn)確的求解孔邊的應(yīng)力是很困難的,特別是對于一些復(fù)雜孔形。因此,借助于有限元軟件MSC.Patran對帶孔板進(jìn)行應(yīng)力分析,再借助于疲勞分析軟件MSC.Fatigue對帶孔板進(jìn)行疲勞壽命仿真。

1 試件材料參數(shù)

采用材料為LY12-CZ的中心開孔鋁板,帶孔板的名義厚度為4mm,長度方向?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,對孔口附近進(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)力場分布后,下面對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)力場分布結(jié)果導(dǎo)入到數(shù)據(jù)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(qiáng)度極限420MPa,通過軟件中的材料數(shù)據(jù)庫管理器PFMAT將其S-N曲線輸入到中心材料數(shù)據(jù)庫中,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,仿真結(jié)果在該范圍之內(nèi),從而說明了仿真結(jié)果的正確,驗(yàn)證了疲勞壽命仿真過程的正確性。

3 不同孔口形狀板的應(yīng)力分布及疲勞壽命對比

為了研究不同孔形對帶孔板應(yīng)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(jié)果如圖7--圖10所示。

對于帶孔板來說,特別突出的一個(gè)問題就是邊界區(qū)域的應(yīng)力集中問題。準(zhǔn)確的求解孔周圍的應(yīng)力是很困難的,特別是對于一些復(fù)雜孔形,而利用有限元軟件則可以解決這個(gè)問題,圖7、圖8給出了矩形孔板和六邊形孔板的應(yīng)力場的有限元仿真結(jié)果。根據(jù)應(yīng)力場結(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,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帶圓形孔的板的應(yīng)力場及疲勞壽命進(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矩形孔板和六邊形孔板進(jìn)行了應(yīng)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(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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