聯(lián)合ANSYS Workbench和nCode DesignLife進(jìn)行疲勞分析

疲勞失效是機(jī)械零部件失效的主要形式。如何對這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的疲勞分析,引起了很多產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師的關(guān)注。對于一般零部件的疲勞分析,并沒有理論公式可以解決,幾乎都是依據(jù)有限元技術(shù)以及疲勞分析技術(shù)。因此聯(lián)合有限元分析軟件和疲勞分析軟件,對這些零部件進(jìn)行疲勞分析,是解決這類問題的有效途徑。

ANSYS Workbench是世界上著名的以多物理場分析為特色的有限元分析軟件,而DesignLife是ANSYS nCode下功能強(qiáng)大的疲勞分析軟件。本文以材料力學(xué)中中一根變截面軸的彎扭組合的疲勞分析為例,說明如何聯(lián)合這兩款軟件對之進(jìn)行疲勞分析。

問題描述如下:

一根變截面軸,左邊軸段(藍(lán)色部分)固定,而在最右邊軸段上(紅色部分)施加一個1N的集中力(它導(dǎo)致彎曲變形)和一個1000Nmm的集中力偶(它導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)變形)

對于這兩種載荷的時間歷程,使用力傳感器進(jìn)行測定94秒,得到如下圖所示的時間歷程曲線。

上圖中的紅色曲線圖反應(yīng)了集中力隨時間的變化規(guī)律,橫坐標(biāo)是時間,單位是秒,這里測試了94秒。而縱坐標(biāo)是載荷的大小。從圖中可以看出,最大的載荷是18KN左右,而且也可以看到,載荷的變化很不規(guī)則,并非理想的循環(huán)方式。而藍(lán)色曲線反應(yīng)的是集中力偶隨時間變化的規(guī)律,其幅值在-2717到2834之間改變。

該軸的材料已經(jīng)給定,是碳鋼SAE1045_390_QT.

現(xiàn)在要求對該軸進(jìn)行疲勞分析。

使用Workbench和DesignLife對之進(jìn)行疲勞分析,分為兩步。第一步是在Workbench中建立有限元模型,并分別施加集中力和集中力偶,通過計(jì)算,得到兩種情況的米塞斯應(yīng)力,這相當(dāng)于兩種工況,這樣可以得到ANSYS Workbench的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果文件*.rst.第二步在DesignLife中進(jìn)行,首先根據(jù)疲勞分析的五框圖,構(gòu)造疲勞分析流程,然后分別設(shè)定各個框圖的屬性,即有限元結(jié)果文件,載荷文件,材料文件,疲勞分析選項(xiàng),然后啟動分析,通過后處理以查看軸上各點(diǎn)的疲勞壽命。

1. Workbench中建立有限元模型并進(jìn)行分析

(1)使用Designmodeler創(chuàng)建幾何模型

(2)設(shè)置材料屬性

(3)劃分網(wǎng)格

(4)設(shè)置分析選項(xiàng)

這里設(shè)置兩個載荷步,其目的只是分開彎曲和扭轉(zhuǎn)這兩種工況。

(5)設(shè)置固定邊界條件

(6)施加集中力和集中力偶

第一個載荷步施加集中力,而第二個載荷步施加集中力偶。

(7)分析

(8)得到兩種情況的米塞斯應(yīng)力。

左邊的云圖取自第一個載荷步,它是彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力云圖。

右邊的云圖來自第二個載荷步,它是扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力云圖。

計(jì)算完畢后,保存結(jié)果,退出ANSYS Workbench

2. DesignLife中的疲勞分析

(1)繪制疲勞分析流程圖

打開DesignLife,創(chuàng)建分析流程圖如下。

該流程圖中,左邊時輸入(左上是有限元結(jié)果輸入,左下是載荷的時間歷程曲線輸入),中間是疲勞分析模塊(這里是應(yīng)變壽命疲勞分析),右邊是輸出(右上是有限元分析結(jié)果顯示,右下是列表輸出危險(xiǎn)點(diǎn)的情況)。

(2)關(guān)聯(lián)有限元分析結(jié)果文件

把可以用的數(shù)據(jù)中的有限元分析結(jié)果拖入到有限元輸入框,建立關(guān)聯(lián)。

(3)關(guān)聯(lián)載荷文件

把可以用的數(shù)據(jù)中的載荷時間歷程文件拖入到時間序列輸入框,建立關(guān)聯(lián)。

(4)進(jìn)行材料映射

(5)進(jìn)行載荷映射

把第一種載荷工況(彎曲工況)與第一個時間序列建立關(guān)聯(lián)。它表明了該集中力在按照此載荷時間歷程發(fā)生改變。

同理,把第二種載荷工況(彎曲工況)與第二個時間序列建立關(guān)聯(lián)。它表明了該集中力在按照此載荷時間歷程發(fā)生改變。

(6)設(shè)置分析選項(xiàng)

設(shè)置應(yīng)力單位為Pa。

(7)進(jìn)行分析

(8)后處理

從該有限元圖上可以看出,在固定端處的點(diǎn)最危險(xiǎn),這里給出了各個點(diǎn)損壞的應(yīng)力云圖。