基于A(yíng)NSYS workbench和designlife的多軸疲勞分析案例

2017-01-13  by:CAE仿真在線(xiàn)  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

基于A(yíng)NSYS workbench和designlife的多軸疲勞分析


今天為大家帶來(lái)一篇長(cháng)文,探討的主題是用有限元軟件workbench和designlife分析工程實(shí)際中的疲勞問(wèn)題。疲勞問(wèn)題也屬于耐久性問(wèn)題,是本人的主要研究方向。理論背景不作過(guò)多介紹,現給出幾個(gè)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(diǎn)。

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(chǎn)生局部永久性累積損傷,經(jīng)一定循環(huán)次數后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過(guò)程。

靜水應力:在彈塑性力學(xué)中,常假設靜水壓力作用下,應變與應力服從彈性規律,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(chēng)靜水壓力,另一部分稱(chēng)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(chēng)為復合疲勞。

Dang Van準則:基于宏觀(guān)和微觀(guān)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(xiàn)性組合。公式使用剪切應力和靜水壓應力,以及一個(gè)安定狀態(tài),來(lái)計算等效應力并與一個(gè)閾值相比較。



1問(wèn)題描述


在實(shí)際條件中,許多關(guān)鍵位置的結構承受多軸載荷。即關(guān)鍵位置的應力狀態(tài)有著(zhù)多于一個(gè)的明顯主應力,和/或主應力方向隨著(zhù)時(shí)間改變。使用ncode designlife軟件可以用來(lái)進(jìn)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(dòng)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(jīng)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(shí)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則進(jìn)行比較。簡(jiǎn)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(shí)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?yè)p傷非常微小時(shí)的高周疲勞情形。

這篇文章探討同時(shí)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(chē)工程師協(xié)會(huì )的疲勞設計和評估委員會(huì )用于外延的國際標準循環(huán)試驗。其幾何參數如下圖。


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2有限元分析



我們首先思考如何開(kāi)展仿真。比如,用設計軟件如SolidWorks,UG等畫(huà)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(gè)主要載荷,分兩個(gè)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(huà)成什么類(lèi)型,在何處細化,等等。

2.1模型準備

在SW中繪制模型:


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2.2網(wǎng)格劃分


我們因為預先知道,軸同時(shí)受彎和扭,應力最大處應該會(huì )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(wǎng)格。如果事先不知道應力分布,也可根據首次求解結果來(lái)重新劃分網(wǎng)格。

整體網(wǎng)格:


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截面網(wǎng)格:



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因為疲勞發(fā)生在材料表層,實(shí)際重點(diǎn)關(guān)注的是表面網(wǎng)格,可以用加上膨脹層(inflation)的辦法來(lái)畫(huà)精細的表面網(wǎng)格,不過(guò)這樣整體網(wǎng)格劃分方法會(huì )變?yōu)樗拿骟w。


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膨脹層截面:



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加上膨脹層之后,單元數量從5萬(wàn)上升到16萬(wàn),從計算效率上來(lái)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網(wǎng)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:


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設置載荷步控制,這里2個(gè)載荷分2個(gè)載荷步施加:



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第一個(gè)載荷——彎力的施加:



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第二個(gè)載荷——扭力的施加:



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兩個(gè)載荷都用表格數據輸入即可。載荷合并后如圖所示:



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注意這里其實(shí)并沒(méi)有任何一個(gè)時(shí)刻軸是受2個(gè)載荷同時(shí)作用的,在靜力分析中我們只需要將2個(gè)載荷的單獨施加情況分別作為一個(gè)載荷步求解(1s和2s),在ncode中進(jìn)行疲勞分析會(huì )將這兩個(gè)結果進(jìn)行線(xiàn)性疊加。

接下來(lái)設置自適應網(wǎng)格,細化步數為3步,精度為2。


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在von mises應力下插入收斂準則:



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2.4求解與分析


查看von mises應力結果,注意這里有2個(gè)載荷步,受不同載荷。默認只會(huì )顯示最后一步,需要手動(dòng)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(gè)白點(diǎn),ANSYS用來(lái)表示箭頭所指的實(shí)際位置是在模型另一側)。


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應變結果,是符合預期的:



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第二步受扭,應力結果并不明顯,如圖:



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應變結果中可以看出軸表面變形比中央大:



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我們放大一下關(guān)注應力細節:



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


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通過(guò)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(lái)在ncode中打開(kāi)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(lái)說(shuō)ANSYS workbench典型的流程是在workbench左側的菜單中找到designlife EN 時(shí)間序列功能,連接solution模塊(需要事先安裝ncode16.0)。


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


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首先簡(jiǎn)單介紹ncode的典型分析方法,稱(chēng)為5-box trick:


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從5-box trick中,我們知道:


1.每個(gè)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(xiàn)、應變-壽命和周期應力-應變曲線(xiàn)表示,或者帕里斯函數;

4.這三個(gè)輸入框通過(guò)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:


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有限元輸入,輸入有限元模型



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SN CAE 疲勞,進(jìn)行逐周分析



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熱點(diǎn)探測,識別模型中的關(guān)鍵區域



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有限元顯示,以圖形形式顯示有限元模型



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數據值顯示,以表格形式顯示分析結果


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


下面開(kāi)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(gè)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:


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扭力結果



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再拖動(dòng)一個(gè)數據輸入窗口到工作區,插入測試數據:



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從測試數據的細節屬性可以看出采樣率、采樣點(diǎn)等信息。



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


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Dang Van疲勞模塊有三個(gè)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(shí)體Dang Van(分散)繪圖。

分別連接三個(gè)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(gè)XY圖用來(lái)顯示最差實(shí)體Dang Van(分散)繪圖以外,剛好是5-boxes。


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3.3建立材料映射


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

理論部分(可以略過(guò)):

關(guān)于估計Dang Van參數a和b的文獻中沒(méi)有給出明確的關(guān)系,但是我們可以利用觀(guān)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(guān)系,結合一些疲勞和靜態(tài)行為之間的聯(lián)系。

從彈性理論中我們知道受靜載荷時(shí)抗扭強度和抗拉強度的比值是0.577。在疲勞分析中,觀(guān)察到這個(gè)值在一定范圍內變動(dòng),取決于材料性質(zhì)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(gè)疲勞試驗結果進(jìn)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(guān)察這個(gè)比值處于到0.44-0.71的范圍。F?ppl觀(guān)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(lái)計算Dang Van參數,因為它與可用的數據聯(lián)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(xiàn)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(shí)驗結果總結如下(大部分來(lái)自于Papadopoulos的論文):


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、


注:平均a = 0.36, t/f = 0.62。

(理論部分結束)

右鍵點(diǎn)擊Dang Van模塊,選擇建立材料映射。點(diǎn)擊generate新建一種材料,輸入材料名稱(chēng),如sae_shaft,數據集類(lèi)型默認為Dang Van無(wú)需更改,材料類(lèi)型為鐵類(lèi),輸入抗拉極限621Mpa,點(diǎn)擊確定。自動(dòng)生成的材料屬性如下:


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Dang Van閾值線(xiàn)隨著(zhù)靜水應力敏感性下降,b通過(guò)扭轉持久極限TAFE定義。


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3.4建立載荷映射


同樣在DangVan分析模塊上右鍵點(diǎn)擊選擇編輯載荷映射,下方的時(shí)序數據可以拖動(dòng)至右上,分配給每個(gè)算例:


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

在DangVan分析模塊上右鍵點(diǎn)擊選擇屬性,進(jìn)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(gè)表面的結果。這個(gè)設置可以減少分析時(shí)間,同時(shí)減小后處理時(shí)的負荷。分析組_求解位置設置為單元。

開(kāi)始求解。

3.5結果分析

安全因子云圖:

安全因子云圖:


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DangVan分散繪圖:



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這張圖代表了載荷路徑是如何沿著(zhù)靜水壓力分布的,同時(shí)與疲勞閾值判據進(jìn)行比較。如果紅色的分散繪圖穿過(guò)了藍色的對角線(xiàn),失效就會(huì )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(zhù)會(huì )發(fā)生失效,這個(gè)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(mǎn)足設計要求1.05的。


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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(jìn)行對比。采用兩個(gè)載荷算例,分別代表1000N的彎力載荷(如下圖施加)和一個(gè)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(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分??拷笨诟康膮^域經(jīng)過(guò)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(shí)體單元一樣。盡管殼單元增加了計算時(shí)間,它們也增加了表面應力預測的精度,而無(wú)需從次表面的高斯點(diǎn)進(jìn)行外插。殼體單元應當足夠薄,這樣不會(huì )影響固體單元的應力應變響應??偣灿?2140個(gè)單元,其中3852個(gè)是殼體單元。


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表中顯示了最差單元的安全因子為1.074。Nastran方法與ANSYS workbench方法分析出來(lái)的1.098僅相差2%左右。


4總結


本案例介紹了利用ANSYS workbench和ncode designlife軟件對零件進(jìn)行多軸疲勞分析的整套流程。我們可以見(jiàn)到ncode軟件功能非常全面、強大,與準確的CAE分析結果搭配起來(lái),可以為工程實(shí)際提供很好的參考。愿大家看完有所收獲。

以后本人還會(huì )不定期發(fā)帖介紹ANSYS workbench和designlife的一些技巧和應用,感謝各位以及技術(shù)鄰官方的關(guān)注!

文章里用到的模型文件和測試數據放在附件中,可以下載用來(lái)練習。


本文轉自:http://www.jishulink.com/content/post/264681


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