抗疲勞設計

2013-06-08 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

簡介什么是疲勞? 確定材料的疲勞強度疲勞壽命的計算方法計算疲勞壽命結(jié)論附錄A—裂紋增長附錄B—雨流法計數(shù)

作者: COSMOS 來源: COSMOS
關鍵字: 有限元分析安世亞太抗疲勞設計 SN FEA

設計人員使用SN方法計算疲勞壽命

在計算疲勞壽命時,應考慮等幅載荷和變幅載荷。下面是不同結(jié)果的簡要說明。

等幅載荷:

抗疲勞設計solidworks simulation分析圖片1

這種方法假設零部件在恒定的幅度、恒定的平均應力載荷周期下工作。通過使用SN曲線,設計人員可以快速計算導致零部件發(fā)生失效的此類周期數(shù)量。而對于零部件需要在多種載荷下工作的情況,則可采用Miner規(guī)則來計算每種載荷情況的損壞結(jié)果,并將所有這些損壞結(jié)果合并起來獲得一個總體的破壞值。其結(jié)果稱為“損壞因子”,是一個失效分數(shù)值。零部件在D=1.0時發(fā)生失效,因此,如果D=0.35,該零部件的壽命已經(jīng)消耗了35%。這一理論還認為由應力周期導致的損壞與損壞在載荷歷史的哪個位置發(fā)生無關,并且損壞積累速度與應力水平無關。

變幅載荷:

抗疲勞設計solidworks simulation分析圖片2

在真實的環(huán)境條件下,多數(shù)零部件承載的載荷歷史是不斷變化的,幅度和平均應力都是如此。因此,更為通用和現(xiàn)實的方法需要考慮變幅載荷,在這種情況下,應力盡管隨著時間循環(huán)反復,但其幅度是變化的,這就有可能將應力分解成載荷“塊”。在處理這種類型的載荷時,工程師使用一種稱為“雨流法計數(shù)”的技術(shù)。附錄B討論如何研究FEA疲勞結(jié)果,它就雨流法計數(shù)提供了更多信息。

在通過SN方法研究疲勞方面,FEA提供了一些非常優(yōu)秀的工具,這是因為輸入由線彈性應力場組成,并且FEA能夠處理多種載荷情況交互作用的可能情形。如果要計算最壞情況的載荷環(huán)境(這是一種典型方法),系統(tǒng)可以提供大量不同的疲勞計算結(jié)果,包括壽命周期圖、破壞圖以及安全系數(shù)圖。此外,FEA可以提供較小主要交替應力除以較大主要交替應力的比率的圖解(稱為雙軸性指示圖),以及雨流矩陣圖。后者是一個3D直方圖,其中的X和Y軸代表交替應力和平均應力,Z軸代表每個箱所計的周期數(shù)。

結(jié)論

本白皮書所介紹的工具和方法可以幫助設計人員提高零部件的安全性,同時減少過度設計、笨重和高成本的設計。利用現(xiàn)今的技術(shù)來避免疲勞,常?？梢灶A防巨大的災難。隨著技術(shù)的日益發(fā)展,疲勞安全設計不僅可以減少運行失效,使設計人員能夠有更多的機會設計新的產(chǎn)品而不是解決舊問題。

附錄A—裂紋增長

有兩種物理機制會促使疲勞裂紋增長。在周期載荷下,材料晶粒微結(jié)構(gòu)中的滑移面會前后移動,導致零部件表面上發(fā)生微小的擠出和侵入。這些擠出和侵入非常微小,肉眼無法察覺(高度只有1到10微米),但可以視為裂紋的起源(階段I)。

當階段I的裂紋達到晶粒的邊緣時,這種作用會轉(zhuǎn)移到相鄰的晶粒。階段I的裂紋沿著最大剪切應力方向增長,與載荷作用方向成45度角。

在裂紋大約為三個晶粒大小的時候,裂紋行為會發(fā)生變化,因為此時裂紋已經(jīng)足夠大,能夠形成幾何應力集中(階段II)。階段II的裂紋會在尖端形成一個張力塑性區(qū)域,此后,裂紋會沿垂直于載荷的方向增長。

抗疲勞設計solidworks simulation分析圖片3

附錄B—雨流法計數(shù)

采用圖形表示變幅載荷并提取載荷歷史的峰值和谷值,這樣就能夠確定應力范圍及其相關聯(lián)的平均應力。該圖形可以顯示最初“被雨水注滿”的載荷歷史。

抗疲勞設計solidworks simulation分析圖片4

應力范圍及其相關聯(lián)的平均應力由圖形中顯示的載荷歷史確定。在載荷歷史圖形中,載荷歷史“被雨水注滿”。在確定應力范圍和平均應力后,“雨水”會從最低點排走。然后可繼續(xù)確定其余被截留的每部分“雨水”的應力范圍和平均值。根據(jù)所得到的結(jié)果,可以應用Miner規(guī)則,計算疲勞壽命。

抗疲勞設計solidworks simulation分析圖片5