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:互聯網

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、零構件在循環(huán)應力或循環(huán)應變作用下,在一處或幾處逐漸產生局部永久性累積損傷,經一定循環(huán)次數后產生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。

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

多軸疲勞:多軸疲勞是指多向應力或應變作用下的疲勞,也稱為復合疲勞。

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

1問題描述

在實際條件中,許多關鍵位置的結構承受多軸載荷。即關鍵位置的應力狀態(tài)有著多于一個的明顯主應力,和/或主應力方向隨著時間改變。使用ncode designlife軟件可以用來進行主應力狀態(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)動機部件如連接桿和曲軸連桿,人們希望它們在壽命周期內經歷很高數量的載荷循環(huán)。設計這些部件的有限疲勞壽命是不現實的,更常用的方法是使用安全因子方法,這樣關鍵載荷循環(huán)可以和疲勞或耐久極限準則進行比較。簡單的單軸安全因子方法對許多情形都適用,但是當載荷是多軸,尤其是不成比例的時候,我們需要一種更復雜的方法,如Dang Van模型。Dang Van準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45號鋼),被美國汽車工程師協(xié)會的疲勞設計和評估委員會用于外延的國際標準循環(huán)試驗。其幾何參數如下圖。

2有限元分析

我們首先思考如何開展仿真。比如,用設計軟件如SolidWorks,UG等畫出模型,轉成中間格式導入ANSYS workbench的靜力結構模塊分析;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明確,約束是固定約束;網格畫成什么類型,在何處細化,等等。

2.1模型準備

在SW中繪制模型:

2.2網格劃分

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

整體網格:

截面網格:

因為疲勞發(fā)生在材料表層,實際重點關注的是表面網格,可以用加上膨脹層(inflation)的辦法來畫精細的表面網格,不過這樣整體網格劃分方法會變?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格,更何況我們還有自適應網格這一工具可以利用。

2.3邊界條件定義

在靜力結構模塊中添加約束和載荷情況:

設置載荷步控制,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據輸入即可。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中進行疲勞分析會將這兩個結果進行線性疊加。

接下來設置自適應網格,細化步數為3步,精度為2。

在von mises應力下插入收斂準則:

2.4求解與分析

查看von mises應力結果,注意這里有2個載荷步,受不同載荷。默認只會顯示最后一步,需要手動查看之前的載荷步。

第一步最大應力為35.377Mpa,發(fā)生在受擠壓一側的軸頸與軸連接處(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)。

應變結果,是符合預期的:

第二步受扭,應力結果并不明顯,如圖:

應變結果中可以看出軸表面變形比中央大:

我們放大一下關注應力細節(jié):

可以從圖中看出,應力集中處的網格已經重新劃分過了。使用這種方法基本可以保證不會發(fā)生應力奇異的現象。表中的數據顯示兩個載荷步都只細化了一次,就滿足了我們的設定的5%的收斂目標。

通過ANSYS workbench中的分析,我們獲得了軸在彎扭作用下的響應。我們在***\dangvan_files\dp0\SYS\MECH文件夾找到后綴為.rst的分析結果文件,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,用這種方法進入designlife以后,軟件自動準備了一套復雜流程,如下圖所示,不利于學習。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,結構所受到的載荷環(huán)境必須定義(Loading History);

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

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

4.這三個輸入框通過每周疲勞分析合并,并給出初始結果。

常用模塊圖標如下所示:

有限元輸入,輸入有限元模型

SN CAE 疲勞,進行逐周分析

熱點探測,識別模型中的關鍵區(qū)域

有限元顯示,以圖形形式顯示有限元模型

數據值顯示,以表格形式顯示分析結果

這個案例將對這個部件進行多軸安全因子分析以確定它是否能用于實際工程使用。設計目標是這個部件必須在載荷歷程的作用下具有無限重復的壽命,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,導入上一步準備的rst結果文件,查看應力和應變結果:

彎力結果:

扭力結果

再拖動一個數據輸入窗口到工作區(qū),插入測試數據:

從測試數據的細節(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果;完整結果數據值顯示;最差實體Dang Van(分散)繪圖。

分別連接三個模塊到響應端口,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驗規(guī)則來生成DangVan模型中的參數a和b。

理論部分(可以略過):

關于估計Dang Van參數a和b的文獻中沒有給出明確的關系,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耐久極限之間的關系,結合一些疲勞和靜態(tài)行為之間的聯系。

從彈性理論中我們知道受靜載荷時抗扭強度和抗拉強度的比值是0.577。在疲勞分析中,觀察到這個值在一定范圍內變動,取決于材料性質和試樣的尺寸。CETIM對抗拉強度為350至2000MPa之間的鋼材的大約500個疲勞試驗結果進行了搜集,發(fā)現了扭轉和旋轉彎曲的耐久極限(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關系來計算Dang Van參數,因為它與可用的數據聯系緊密。對于鋼,扭轉(t)和旋轉彎曲(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通常近似認為是0.5倍抗拉強度(UTS),而且對于抗拉強度低于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。

一些實驗結果總結如下(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,數據集類型默認為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閾值線隨著靜水應力敏感性下降,b通過扭轉持久極限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,下方的時序數據可以拖動至右上,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,進行其他設置。分析組_殼層設置為頂層,因為我們只需要殼單元一個表面的結果。這個設置可以減少分析時間,同時減小后處理時的負荷。分析組_求解位置設置為單元。

開始求解。

3.5結果分析

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進行比較。如果紅色的分散繪圖穿過了藍色的對角線,失效就會發(fā)生。

數據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,是滿足設計要求1.05的。

3.6結果對比

如果應力分析使用NASTRAN軟件,我們可以將疲勞分析的結果進行對比。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行網格劃分?？拷笨诟康膮^(qū)域經過了細化。因為我們需要精確的表面應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力預測的精度,而無需從次表面的高斯點進行外插。殼體單元應當足夠薄,這樣不會影響固體單元的應力應變響應?？偣灿?2140個單元,其中3852個是殼體單元。