ANSYS的U形波紋管疲勞壽命分析

2013-08-13 by:廣州Ansys中心來源:仿真在線

ANSYS的U形波紋管疲勞壽命分析

波紋管是壓力容器和管道系統(tǒng)以及儀器儀表中常用的連接、補償和密封隔離裝置。它的特點是軸向剛度大、徑向剛度小,故能承受較大的軸向位移,同時還能承受一定的內(nèi)、外壓。當(dāng)軸向力較小時,波紋管的變形較小,其剛度保持不變;在較大軸向力的作用下,波紋管產(chǎn)生大變形,其剛度隨變形不斷的變化,此時波紋管的彈性是非線性的。因此波紋管的彈性特性既有線性的也有非線性的,受力分析相當(dāng)復(fù)雜。同時在工作過程中載荷是動態(tài)的,載荷的變化規(guī)律也較復(fù)雜。而作為一關(guān)鍵零部件,其壽命將嚴(yán)重影響整個系統(tǒng)的性能和壽命,本文采用ANSYS9.0有限元分析軟件,在波紋管整體熱-應(yīng)力耦合分析的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行有限疲勞壽命設(shè)計。

1 理論基礎(chǔ)

累積損傷是有限壽命設(shè)計的核心問題,疲勞累積損傷假設(shè)多達(dá)數(shù)十種,疲勞分析常用帕爾姆格林-邁格(Palmgren-Miner)假設(shè),通常稱之為線性累積損傷理論。Miner假定載荷循環(huán)是正弦形的,傳給試樣并被其吸收的全部功都用來產(chǎn)生試樣的破壞(但不發(fā)生應(yīng)變硬化);存在于各種對稱因素載荷之間的關(guān)系,可以用修正的Goodman圖來表示,破壞的判據(jù)是形成肉眼可見的裂紋。在上述的假定下用公式表示為:

    式中:D為疲勞累積系數(shù);ni為第i階應(yīng)力水平下的實際應(yīng)力循環(huán)數(shù);Ni為第i階應(yīng)力水平下的疲勞壽命;k為應(yīng)力譜中應(yīng)力范圍的級數(shù)。當(dāng)D值小于1時,認(rèn)為被評估對象是安全的,不會發(fā)生疲勞破壞。D值等于和大于1時,意味著被評估對象開始破壞和已經(jīng)破壞。線性累積邊損傷理論不考慮不同應(yīng)力幅作用順序的影響,大量實際工程經(jīng)驗證明,當(dāng)?shù)蛻?yīng)力幅的交變循環(huán)在前而高應(yīng)力幅的交變循環(huán)在后時,疲勞累積系數(shù)可以稍稍大于1.

    每級應(yīng)力水平下的疲勞壽命是根據(jù)相應(yīng)材料的S-N曲線得到。S-N曲線描述的是應(yīng)力幅σa和該應(yīng)力幅下開始破壞的循環(huán)數(shù)Nf(即疲勞壽命)關(guān)系,它能較準(zhǔn)確地描述波紋管材料的高周疲勞循環(huán)破壞特性。如圖1所示,隨著N的增加疲勞許用應(yīng)力迅速減小,但超過100萬次后最大應(yīng)力不再發(fā)生變化,且曲線維持在350MPa處,該應(yīng)力稱為完全交變應(yīng)力下的材料疲勞持久極限。對于鋁合金試件,就不能找到這樣的材料疲勞持久極限。目前有許多種方程可以近似描述S-N曲線,最簡單、最常用的是冪函數(shù)形式:

    式中:σf是疲勞強度,是由S-N曲線外推到第一個半循環(huán)(2σf=1)的應(yīng)力幅值;h是疲勞強度指數(shù),是雙對數(shù)坐標(biāo)中S-N曲線的斜率。

    在復(fù)雜的彎矩、扭矩、軸向力共同作用下,平均應(yīng)力不為零,通常要用修正的Goodman圖得到平均應(yīng)力不為零時的等效應(yīng)力幅,如圖2所示。σe為材料的疲勞許用極限,在沒有實驗依據(jù)時,σe可以通過式(3)確定:

式中:ka為表面加工系數(shù);kb為尺寸系數(shù);kc為可靠性系數(shù);kd為溫度系數(shù);ke為加強因子。它考慮了在階梯處和開槽處的應(yīng)力集中,由應(yīng)力集中因子和材料切口敏感度來計算加強因子ke.σc是根據(jù)材料強度極限σb來確定的(σb≤1400MPa時,σe=O.5σb;σb>1 400MPa時,σe=700MPa)。另外可以修正S-N曲線,平均應(yīng)力對應(yīng)力壽命曲線的影響較復(fù)雜,常用的考慮方法是用σf-σm代替式中的σf,即:

實際的許用疲勞曲線還需用應(yīng)力幅安全系數(shù)和循環(huán)數(shù)安全系數(shù)來修正疲勞曲線,參照英國BS5500,應(yīng)力幅安全系數(shù)2.2,循環(huán)數(shù)安全系數(shù)取15。

2 波紋管疲勞分析

ANSYS的Fatigue Tool是專門為設(shè)計工程師定制的疲勞快速分析工具,它提供了易學(xué)易用的疲勞分析界面環(huán)境,只需在ANSYS應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行疲勞設(shè)計仿真。Fatigue Tool采用廣泛使用的應(yīng)力-壽命方法,綜合考慮平均應(yīng)力、載荷條件與疲勞強度系數(shù)等疲勞影響因素并按線性累積損傷理論進(jìn)行疲勞計算。Fatigue Tool進(jìn)行疲勞分析包含3個步驟:材料疲勞性能參數(shù)設(shè)定、疲勞分析、疲勞結(jié)果評估。

    2.1波紋管熱-應(yīng)力藕合分析

    由于疲勞分析是以應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的,所以首先對波紋管進(jìn)行熱一應(yīng)力藕合分析,即第一步先對波紋管進(jìn)行熱分析,接下來將熱分析所得的溫度場作為體載荷施加在節(jié)點上,對波紋管進(jìn)行應(yīng)力分析。這樣較全面地考慮了軸向力和流體溫度對波紋管壽命的影響。

    波紋管是軸對稱結(jié)構(gòu),其所受載荷和溫度也是軸向?qū)ΨQ的,因此為減少計算機運行成本,采用平面模型進(jìn)行分析,波紋管幾何參數(shù),材料屬性。邊界條件為水蒸氣對流系數(shù),取1300W/(m2·℃),水蒸氣溫度取300℃。

將ANSYS求解方式設(shè)為非線性瞬態(tài)動力學(xué)分析,選用軸對稱殼單元She1151,定義單元實常數(shù)、材料屬性和邊界條件,進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分。

運用Load菜單尋找第一步熱分析中生成的rth文件,讀取節(jié)點溫度分布數(shù)據(jù),作為體載荷施加在節(jié)點上。

根據(jù)瞬態(tài)動力分析的外載荷施加要求,設(shè)定初始條件,在波紋管軸向方向施加如圖3所示的時間載荷,圖中LS代表載荷步,如LSl表示第一步載荷施加過程,其余以此類推。將每一載荷步及其加載控制選項存為一個文件,然后點取從文件求解菜單進(jìn)行運算分析。

為介質(zhì)溫度300℃、時間在2s時的波紋管節(jié)點等效應(yīng)力圖。

從時間后處理器中定義新時間變量,然后繪圖顯示節(jié)點1105,1283的應(yīng)力一時間關(guān)系,此關(guān)系圖上的應(yīng)力值是按第三強度理論計算獲得的值。

    2.2 疲勞分析

    從節(jié)點等效應(yīng)力圖4上可看到,波谷和波峰的應(yīng)力變形最大,因此破損會從這兩個位置開始。所以本文首先選取這兩處的一個節(jié)點進(jìn)行疲勞分析,即選取波紋管中間波峰上一個節(jié)點Node1105和波谷上一個節(jié)點Node2461。此外為了全面了解波紋管的性能,本文還選取了波峰與波谷之間的一個節(jié)點Nodel283進(jìn)行疲勞分析。

    根據(jù)圖1波紋管材料疲勞曲線圖,定義材料疲勞屬性,定義節(jié)點數(shù)為3、事件數(shù)為3、每一事件的載荷步為10。節(jié)點1105疲勞分析為事件1,節(jié)點1283為事件2,節(jié)點2461為事件3,取1~lOs中的整數(shù)秒時間的載荷為10個載荷步。由于殼單元She1151的節(jié)點應(yīng)力并不能直接在結(jié)果文件輸出,所以采用手工輸入節(jié)點不同的載荷步的應(yīng)力。將載荷循環(huán)次數(shù)設(shè)為10 000,運算求解,將結(jié)果進(jìn)行整理歸納.

   從表3可得出,由于波紋管的特殊結(jié)構(gòu),波紋管在波谷、波峰與兩者之間部位的使用壽命存在較大的差別。在波峰、波谷處以剪切變形為主,彎曲變形為輔,在波峰與波谷之間以彎曲變形為主,剪切變形為輔,并且從應(yīng)力圖4可看出,波峰、波谷的應(yīng)力比其他位置的應(yīng)力大得多。所以波紋管疲勞分析的難點在于選擇合適的模型以及對應(yīng)的單元類型來模擬這些特點。這些在以往的數(shù)值公式中都無法準(zhǔn)確考慮。

    2.3結(jié)果分析

    所示為自制波紋管疲勞壽命實驗裝置原理圖,采用水壓加壓方式模擬蒸氣閥門工作狀態(tài),活塞每分鐘往返2次,經(jīng)過52.3h波紋管破損。總循環(huán)次數(shù)為6276次,與計算機分析Node1105結(jié)果非常接近。兩者差距是由于實驗時連續(xù)進(jìn)行所帶來的高溫引起材料的硬化和蠕變產(chǎn)生的。因此計算機計算結(jié)果較接近實際應(yīng)用。

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