疲勞仿真助力延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命，降低成本和風(fēng)險(xiǎn)

2016-11-07 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

疲勞失效是一種隱患。您的產(chǎn)品可能也存在疲勞失效問(wèn)題,但是您還不知道。循環(huán)加載所導(dǎo)致的零件表面變化只有在顯微鏡下才能看到。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期反復(fù)的壓縮和拉伸之后,零件會(huì)出現(xiàn)明顯的裂紋,然后迅速失效。

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疲勞是指在低于零件材料屈服強(qiáng)度的應(yīng)力作用下,零件被反復(fù)加載和卸載后發(fā)生的失效現(xiàn)象。簡(jiǎn)單的張力測(cè)試只能識(shí)別由超出屈服強(qiáng)度的負(fù)載所導(dǎo)致的失效;如果不做物理測(cè)試(如振動(dòng)測(cè)試),那么得出的部件耐久性結(jié)果就是不可靠的。但物理測(cè)試很耗時(shí),很昂貴,而且對(duì)于大型產(chǎn)品或復(fù)雜產(chǎn)品而言,物理測(cè)試是不切實(shí)際的或無(wú)法實(shí)施的。產(chǎn)品是否會(huì)失效取決于產(chǎn)品形狀、表面質(zhì)量、所用的材料以及產(chǎn)品的使用強(qiáng)度。

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自工業(yè)革命起,人們就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了反復(fù)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致部件失效,但“疲勞”一詞直到19世紀(jì)中葉才被創(chuàng)造出來(lái)。在20世紀(jì)的大多數(shù)時(shí)間里,工程師們都是通過(guò)手工或試算表來(lái)進(jìn)行疲勞計(jì)算,因此很難完全理解結(jié)構(gòu)因疲勞而失效的這個(gè)過(guò)程。我們通常用半對(duì)數(shù)圖來(lái)描繪大量加載循環(huán)(104至108次)的測(cè)試結(jié)果,Y軸是應(yīng)力,X軸代表使用壽命,并以對(duì)數(shù)刻度為單位。此圖也被稱作S-N曲線或Wohler圖。這些圖表是材料模型的基礎(chǔ),用于確定何時(shí)會(huì)發(fā)生材料失效。

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現(xiàn)在,設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過(guò)結(jié)合兩種計(jì)算方法,能夠以合理的準(zhǔn)確度,針對(duì)預(yù)定負(fù)載計(jì)算出失效發(fā)生時(shí)間。利用有限元法可以仿真產(chǎn)品對(duì)加載的響應(yīng)情況,并確定相應(yīng)的最大應(yīng)力和張力,并把這些結(jié)果與一個(gè)或多個(gè)加載歷史結(jié)合起來(lái)。加載歷史可通過(guò)加載和卸載數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)預(yù)測(cè),或根據(jù)收集到的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè),例如一輛配備有若干應(yīng)變儀和加速計(jì)的測(cè)試轎車所得出的數(shù)據(jù)。利用實(shí)驗(yàn)所得的材料數(shù)據(jù)(S-N曲線)并將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到材料庫(kù)中,我們就能很容易地確定零件在加載多少次后會(huì)因?yàn)槠诙l(fā)生失效。這就是我們所說(shuō)的產(chǎn)品壽命。

如果把同類最佳的結(jié)構(gòu)仿真工具ANSYS Mechanical和領(lǐng)先的耐久性軟件ANSYS nCode DesignLife(工作在集成式ANSYS Workbench環(huán)境中)結(jié)合起來(lái),就能形成獨(dú)特且強(qiáng)大的疲勞預(yù)測(cè)流程。Workbench利用參數(shù)對(duì)不同設(shè)計(jì)選項(xiàng)和設(shè)計(jì)探索進(jìn)行評(píng)估,從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)。該疲勞流程能自動(dòng)執(zhí)行產(chǎn)品壽命評(píng)估步驟,誤差小于人工計(jì)算方法。在Workbench項(xiàng)目?jī)?nèi)部,專家還可以定義工作流程,使未獲得充分培訓(xùn)的設(shè)計(jì)師能夠反復(fù)運(yùn)用該工作流程,以彌補(bǔ)他們?cè)谄趯I(yè)知識(shí)方面的不足。設(shè)計(jì)完成后將流程保存起來(lái),如果以后需還可以再次運(yùn)用該流程。

疲勞仿真使產(chǎn)品設(shè)計(jì)師在評(píng)估各項(xiàng)權(quán)衡因素(例如使用不同的幾何結(jié)構(gòu)和材料)時(shí)能做出明智的決定,從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期的產(chǎn)品壽命。避免產(chǎn)品失效所使用的傳統(tǒng)手段是保守設(shè)計(jì)法。但在目前的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下,設(shè)計(jì)人員面臨的壓力在于需要在提高性能的同時(shí),降低制造成本,提高效率,降低產(chǎn)品失效所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。而通過(guò)仿真來(lái)優(yōu)化產(chǎn)品性能,則能實(shí)現(xiàn)出色的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。仿真技術(shù)將會(huì)很快成為企業(yè)生存的必備工具。

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仿真不但有助于評(píng)估多個(gè)設(shè)計(jì)方案,還能使人們深入了解產(chǎn)品壽命周期內(nèi)產(chǎn)品內(nèi)部發(fā)生的物理現(xiàn)象。在人們?cè)噲D了解疲勞失效時(shí),測(cè)試法只能提供“是”或“否”這兩個(gè)結(jié)果。在產(chǎn)品未失效的情況下,測(cè)試法無(wú)法表明產(chǎn)品距離失效有多近,也無(wú)法表明增加少量額外負(fù)載導(dǎo)致失效的可能性有多大。如果產(chǎn)品在測(cè)試期間確實(shí)失效了,測(cè)試法也無(wú)法確定負(fù)載明顯減少或負(fù)載較高但載荷循環(huán)縮短的情況下失效還會(huì)不會(huì)發(fā)生。

航空航天業(yè)是最早采用疲勞仿真的行業(yè),這是因?yàn)轱w行器會(huì)經(jīng)受由機(jī)身振動(dòng)和增壓導(dǎo)致的高循環(huán)加載。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和起落架也會(huì)承受反復(fù)的負(fù)載。該行業(yè)的關(guān)鍵要素是減輕重量,因?yàn)檫^(guò)于保守(機(jī)身因此過(guò)于沉重)的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致高昂的運(yùn)行成本。在汽車業(yè),制造商們面臨的壓力在于需要減輕車身重量并提高燃油效率。在能源領(lǐng)域,人們對(duì)環(huán)境的擔(dān)憂促使該行業(yè)安裝了大量風(fēng)力發(fā)電機(jī),這類設(shè)備在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)承受反復(fù)的循環(huán)加載。疲勞仿真可以幫助各類機(jī)構(gòu)排憂解難。

對(duì)于多數(shù)企業(yè)而言,疲勞失效可能會(huì)產(chǎn)生極其嚴(yán)重的后果,會(huì)造成巨大的資金損失,包括法定責(zé)任、維護(hù)、重新設(shè)計(jì)和保修費(fèi)用以及品牌受損所造成的損失。借助現(xiàn)代仿真技術(shù),產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員現(xiàn)在可以顯著降低產(chǎn)品失效幾率,從而開(kāi)發(fā)出競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)、利潤(rùn)率更高、更加耐用的產(chǎn)品。

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