有限元軟件進(jìn)行疲勞分析的若干問題

2016-11-01 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

首先要明確我們大體上遇到的疲勞問題均為高周疲勞問題(當(dāng)然不排除個(gè)別如壓力容器和燃?xì)廨啓C(jī)的零件疲勞問題),應(yīng)力水平較低,破壞循環(huán)次數(shù)一般大于十的四次方或五次方。疲勞設(shè)計(jì)和壽命預(yù)測方法一般有無限長壽命設(shè)計(jì)法和有限壽命設(shè)計(jì)法。無限壽命設(shè)計(jì)法使用的是S-N曲線的右段水平部分(疲勞極限),而有限壽命設(shè)計(jì)法使用的是S-N曲線的左段斜線部分。有限壽命設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)應(yīng)力一般高于疲勞極限,這時(shí)就不能只考慮最高應(yīng)力,而要按照一定的累積損傷理論估算總的疲勞損傷。

大多數(shù)零件所受循環(huán)載荷的幅值都是變化的,也就是說,大多數(shù)零件都是在變幅載荷下工作。變幅載荷下的疲勞破壞,是不同頻率和幅值的載荷所造成的損傷逐漸積累的結(jié)果。因此,疲勞累計(jì)損傷是有限壽命設(shè)計(jì)的核心問題。

一般常用三種累積損傷理論,其各自適用范圍如下:

線性疲勞累積損傷理論適合于高周疲勞壽命計(jì)算,可較好地預(yù)測疲勞壽命均值。線性累計(jì)損傷理論指的是損傷積累與循環(huán)次數(shù)成線性關(guān)系,包括Miner法則和相對(duì)Miner法則;Miner理論的表達(dá)式為(D為損傷)

修正的線性疲勞累積損傷理論適合于低周疲勞壽命計(jì)算;

而非線性疲勞累積損傷理論對(duì)二級(jí)加載情況的疲勞壽命估算比較有效。非線性累計(jì)損傷理論包括損傷曲線法和Corten-Dolan理論。

要注意的是,只有當(dāng)應(yīng)力高于疲勞極限時(shí),每一循環(huán)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定量的損傷,這種損傷是累積的;當(dāng)應(yīng)力低于疲勞極限時(shí),由于此時(shí)N將無窮大,因此,它的循環(huán)便不必考慮。

國內(nèi)外常用的疲勞設(shè)計(jì)方法-安全壽命法的具體步驟為:

1. 得到用于疲勞計(jì)算的載荷譜;

2. 計(jì)算構(gòu)件各位置的應(yīng)力歷程;

3. 利用計(jì)數(shù)法(如雨流法)將應(yīng)力歷程整理為不同應(yīng)力幅及其相應(yīng)的循環(huán)次數(shù);

4. 由S-N曲線得到應(yīng)力幅對(duì)應(yīng)的使用極限;

5. 利用累積損傷理論(如Miner準(zhǔn)則)計(jì)算總損傷;

6. 計(jì)算安全壽命 Ts=TL/D

MSC.Fatigue軟件與此方法結(jié)合的很好,然而,有限元法解決實(shí)際工程中的疲勞問題還有一些問題:

1. 目前疲勞理論對(duì)于材料微裂紋的形成和擴(kuò)展過程中的某些效應(yīng)無法全面徹底地分析其機(jī)理,因此在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來的各種方法在某些情況下可能導(dǎo)致結(jié)果誤差很大;

2. 各種疲勞分析有限元法對(duì)應(yīng)力類型及作用方式十分敏感,而實(shí)際工程中這些因素往往無法精確得到,造成結(jié)果分散性相當(dāng)大;

3. 很難預(yù)先判斷易發(fā)生疲勞破壞的危險(xiǎn)區(qū)域,而想要對(duì)其中所有可能發(fā)生初始裂紋的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行細(xì)化建模分析目前顯然不太現(xiàn)實(shí);

4. 不確定因素如載荷時(shí)間歷程的復(fù)雜性、模型試驗(yàn)結(jié)果的分散性、殘余應(yīng)力及腐蝕影響等,可能導(dǎo)致結(jié)果與實(shí)際情況存在量級(jí)上的偏差。

對(duì)于常用的疲勞分析軟件Fatigue,其自帶三種分析方法適用范圍如下:

1. S-N曲線總壽命分析法:

疲勞壽命相當(dāng)長的結(jié)構(gòu),且很少發(fā)生塑性變形;

裂紋初始化及裂紋擴(kuò)展模型不適用的結(jié)構(gòu)如復(fù)合材料、焊接材料、塑料以及一些非鋼結(jié)構(gòu);

已有針對(duì)結(jié)構(gòu)的大量現(xiàn)成S-N數(shù)據(jù)的情形;

焊接熱點(diǎn)區(qū)域疲勞分析以及隨機(jī)振動(dòng)引發(fā)的疲勞問題。

2. 適用裂紋初始化分析法的情形:

基本沒有缺陷的金屬構(gòu)件;

對(duì)安全性要求高,把初始裂紋的發(fā)生作為疲勞失效準(zhǔn)則的構(gòu)件;

確定哪些節(jié)點(diǎn)可能會(huì)發(fā)生疲勞初始裂紋并研究裂紋擴(kuò)展情況時(shí);

分析結(jié)構(gòu)使用不同材料以及不同表面處理情況的影響效應(yīng)時(shí);

各項(xiàng)同性且延展性強(qiáng)的金屬材料構(gòu)件,具有對(duì)稱的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線;

塑性占據(jù)主要地位的低周疲勞。

3. 裂紋擴(kuò)展分析法適用情形:

已有裂紋的結(jié)構(gòu)及假定在制造階段已經(jīng)發(fā)生初始裂紋的結(jié)構(gòu),如焊接結(jié)構(gòu);

實(shí)現(xiàn)程序中的預(yù)報(bào)分析避免試件發(fā)生實(shí)際裂紋擴(kuò)展;

在安排對(duì)結(jié)構(gòu)的例行檢查之前應(yīng)進(jìn)行裂紋擴(kuò)展計(jì)算,從而確定常規(guī)檢查頻率的情形;

已發(fā)生初始裂紋后簡單地計(jì)算結(jié)構(gòu)的剩余壽命;

各項(xiàng)同性且延展性強(qiáng)的金屬材料構(gòu)件,具有對(duì)稱的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

一般情況下常用全壽命(S-N)分析,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Miner線性累積損傷理論分析?？梢赃x擇諸如平均應(yīng)力修正方法和置信參數(shù)等不同參數(shù),可以應(yīng)用材料或零件的S-N曲線。這種方法對(duì)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展不加以明確區(qū)分,能夠預(yù)測到有較大損傷或破壞為止的總壽命。當(dāng)然此方法還可以對(duì)材料在一系列循環(huán)載荷作用下各部位的損傷度、剩余壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)。

影響疲勞強(qiáng)度的主要因素有:

1. 平均應(yīng)力。大部分疲勞測試是在R=-1(全對(duì)稱循環(huán)載荷)下進(jìn)行,若在其它R值下需要對(duì)S-N曲線進(jìn)行修正,常用平均應(yīng)力修正方法有古德曼與戈貝爾法。古德曼法偏于保守,真實(shí)值介于兩者之間。用疲勞極限圖表示,橫坐標(biāo)為平均應(yīng)力,縱坐標(biāo)為應(yīng)力幅;

2. 尺寸效應(yīng)。一般來講尺寸越大,疲勞強(qiáng)度越低;

3. 載荷類型;

4. 缺口與不連續(xù)形狀;

5. 表面處理及粗糙度。