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基于ANSYS的汽车横向稳定杆疲劳分析
第２５卷第１２期２００８年Ｉ２月机械设计ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＡＣＨＩＮＥＤＥＳＩＧＮＶ０１．２．５Ｄｅｃ．Ｎｏ．１２２００８基于ＡＮＳＹＳ的汽车横向稳定杆疲劳分析黄康，仰荣德（合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥２３０００９）摘要：基于疲劳寿命预测的相关理论，利用ＡＮＳＹＳ有限元分析软件，针对汽车横向稳定杆建立有限元模型，并将模型在ＡＮＳＹＳ中作虚拟疲劳仿真分析，在较短的时间内获得了该零件的预测疲劳寿命、寿命安全系数及危险部位等信息。从而可以快速判断该零件的受力、可靠性、疲劳寿命等情况；缩短了产品的设计周期，并可以对材料的选取、结构的优化设计作出快速响应。关键词：横向稳定杆；ＡＮＳＹＳ；疲劳中图分类号：ＴＰ３９１．９文献标识码：Ａ文章编号：１００１―２３５４（２００８）１２一００６６―０３疲劳是在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程。构件在循环加载下产生疲劳破坏所需的应力或应变循环数称为疲劳寿命。高循环疲劳裂纹形成阶段的疲劳性能常以ｓ一Ⅳ曲线表征，Ｓ为应力水平，Ⅳ为疲劳寿命。ｓ―ＪＩｖ曲线需通过试验测定。对试验结果进行统计分析后，根据某一存活率Ｐ的安全寿命所绘制的应力和安全寿命之间的关系曲线称为Ｐ―Ｓ―Ｎ曲线。５０％存活率的应力和疲劳寿命之间的关系曲线称为中值ｓ一Ⅳ曲线，也简称ｓ一｜７、ｒ曲线。实践表明。疲劳寿命分散性较大，因此必须进行统计分析，考虑存活率的问题。具有存活率Ｐ（如９５％，９９％，９９．９％）的疲劳寿命Ｍ的含义是：母体（总体）中有Ｐ的个体的疲劳寿命大于帆。而破坏概率等于（１一Ｐ）。常规疲劳试验得到的ｓ一』＼，曲线是Ｐ＝５０％的曲线。为了提高计算效率，开发了快速计算材料Ｓ一Ⅳ曲线值的软件，如图２所示。图中口，ｂ为与存活率相关的材料常数。文中所分析的横向稳定杆采用的材料是６０Ｓｉ２Ｍｎ，其在存活率为５０％条件下的口＝３８．８２６ｂ＝一１２．５５０１。５，稳定杆是汽车独立悬架系统的重要安全件，在汽车转弯或遇到阻力时可提高操作的稳定性，保证舒适性和行驶安全性…。其任务是防止车身在转弯等情况下发生过大的横向侧倾。横向稳定杆由弹簧钢制成，呈ＩＩ字形横悬在汽车前端或后端。杆身两端通过套简支承在车架上，杆身可以在套筒内转动，形成铰链支座。同时，为了防止横向稳定杆在运动过程中出现运动干涉，在有限元模型中该铰链支座应能沿车架纵向移动，形成活动铰链支座，杆两侧纵向部分的末端通过球铰链与悬架上的弹簧支座相联。当车身只受对称载荷垂直运动，而两侧悬架变形相等时，横向稳定杆在套筒内转动，而套简沿纵向移动，不起稳定作用。这时横向稳定杆各部分均不受力。当两侧悬槊变形不等，而车身侧倾时，稳定杆两侧纵向部分向不同方向偏转，横向稳定杆受到扭力作用呤ｊ。横向稳定杆在汽车悬架系统的结构位置如图１所示。通过计算得到了６０Ｓｉ２Ｍｎ的Ｓ一Ⅳ曲线值，进而作出了该材料对应的Ｐ―Ｓ一Ⅳ曲线，如图３所示。利用ＡＮＳＹＳ软件中的ＦａｔｉｇｕｅＴｏｏｌ工具可以在ＡＮＳＹＳ应力分析基础上进行疲劳仿真分析。ＦａｔｉｇｕｅＴｏｏｌ采用广泛应用的应力一寿命方法，即以ｓ一Ⅳ曲线为依据进行寿命估算的方圈Ｉ汽车悬架系统中的横向稳定杆结构位置图法，可以直接得到总寿命。ＡＮＳＹＳ进行疲劳分析包含３个步骤：材料疲劳性能参数设定、疲劳分析与疲劳结果评估口Ｊ。在实际工作状况下，稳定杆常会受到大小不同的扭力作用，随着受力次数的增加，稳定杆的某些部位会出现疲劳破坏。因此，稳定杆的疲劳寿命是设计稳定杆必须要考虑的一个重要因素，对稳定杆进行疲劳仿真分析也就尤为重要了。文中针对研制开发中的某型汽车横向稳定杆进行了基于ＡＮＳＹＳ仿真分析软件的虚拟疲劳分析。１ＡＮＳＹＳ有限元分析软件疲劳分析的理论基础图２材料疲劳特性计算程序?收稿日期：２００８―０１一１４；修订日期：２００８一０３一１２
作者简介：黄康（１９６８一）．男．安徽径县人，教授，博士，研究方向：机械强度、机械传动、ＣＡＤ与优化设计等。万方数据　２００８年１２月黄康，等：基于ＡＮＳＹＳ的汽车横向稳定杆疲劳分析６７．Ｉｖ图３６０ＳｉＺＭｎ的Ｐ―Ｓ一Ⅳ曲线圈２基于ＡＮＳＹＳ的横向稳定杆疲劳分析２．１有限元模型的建立２．１．１几何参数及几何模型的确立ＡＮＳＹＳ具有完善的数据接口，可以与许多先进的ＣＡＤ软件共享数据，利用ＡＮＳＹＳ的数据接口，可以精确地将ＣＡＤ平台上生成的几何数据文件导入ＡＮＳＹＳ。某型汽车横向稳定杆采用外径为４，２０删，璧厚３ｍｍ的冷拔钢管制造。根据该零件的具体几何参数，首先在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ三维ＣＡＤ软件中建立了横向稳定杆的三维实体模型；然后再导入ＡＮＳＹＳ，将实体模型转化为有限元模型。２．１．２材料参数该横向稳定杆采用的材料为６０Ｓｉ２Ｍｎ。该材料的弹性模量Ｅ＝２．０６Ｘ１０’ＭＰａ，泊松比ｐ＝０．２９，密度为７８００ｋｇ／ｍ３。２．１．３有限元模型中单元的选择与网格划分汽车横向稳定杆结构较为简单，宜采用实体单元自由网格划分。自由网格划分在体上自动生成四面体网格，同时为了获得较好的计算精度，应采用具有二次方位移和能很好划分不规则网格的二次四面体单元（Ｓｏｌｉｄ９２单元）。此单元有１０个点定义，每个节点有３个自由度：节点髫，Ｙ和：方向位移。并且单元有可塑性、蠕动、膨胀、应力钢化、大变形和大张力的能力。如果选用的是六面体单元，则此方法自动将六面体单元退化为阶次一致的四面体单元，因此，最好不要选用线性的六面体单元（没有中间节点，比如Ｓｏｌｉｄ４５单元），因为该单元退化后为线性的四面体单元，具有过强的刚度，计算精度较差；如果选用二次的六面体单元（比如Ｓｏｌｉｄ９５单元），由于其是退化形式，节点数与其六面体原型单元一致，只是有多个节点在同一位置而已。因此，该模型采用Ｓｏｌｉｄ９２单元较好，在ＡＮＳＹＳ中用Ｓｏｌｉｄ９２单元自由网格划分的有限元模型如图４所示。豳４横向稳定杆在ＡＮＳＹＳ中的有限元模型２．１．４载荷与约柬处理当横向稳定杆受扭力作用时，稳定杆的简化受力如图５所示。图５中，曰，ｃ两点的位置是现实中稳定杆与套筒接触的区域，为了简化模型，把这两区域简化为两夹持点。Ａ，Ｄ两点分万　方数据别受大小相同、方向相反的垂直力作用。在有限元模型中，可以把Ｂ，Ｃ两点作自由度约束处理；Ａ，Ｄ两点的受力可以转化为位移载荷处理。施加的位移载荷是汽车满载情况时稳定杆的偏移量。图５横向稳定杆简化受力图２．２静力分析根据横向稳定杆的受力分析和该型稳定杆的实际工况，在ＡＮＳＹＳ软件中，对横向稳定杆中间两个与套筒的连接面作位移约束，限制Ｙ轴及ｚ轴的移动和转动。对横向稳定杆两端面分别施加大小为１５ｍｒｎ，方向相反的位移载荷。然后对横向稳定杆做静力学分析，得到稳定杆应力云图，如图６所示。图６横向稳定杆静力分析的应力云图２．３疲劳分析ＡＮＳＹＳ软件计算疲劳是用后处理得到的应力结果来确定体单元或壳单元模型疲劳寿命耗用系数。完成了应力计算，去除两端的应力集中点后，找到了图６中所示的应力最大点位置（２７号节点），２７号节点所处位置正好与现实中容易发生疲劳破坏的位置相符。因此，选取此２７号节点作为疲劳分析对象。先把２７号节点应力存储后再二次加载求解，二次加载时两位移载荷的方向与第１次时相反。求解完成后保存求解结果进入后处理ＰＯＳＴｌ。把前面计算得到的材料Ｓ一Ⅳ曲线值输入到ＡＮＳＹＳ中的．ｓ一Ⅳ表中，如图７所示。圈７６０ＳｉＺＭｎ的Ｓ一Ⅳ曲线值输入ＡＮＳＹ￥的Ｓ一Ⅳ表中该稳定杆的疲劳寿命要求在振幅为－Ｉ－１５ｒｌｌｌｎ、频率ｌ一３Ｈｚ的条件下至少要达到２０万次。据此在ＡＮＳＹＳ后处理ＰＯＳＴｌ
中的Ｆａｔｉｇｕｅ项输入相对应的参数进行疲劳计算，得到如图８所机械设计第２５卷第１２期示的分析结果。［２］２―８．沈光烈．横向稳定杆对客车车身静动态响应的影响［Ｊ］．现代制造工程，２００５，（２）：１２３―１２５．ＫｕｏＣｈｕｎｇ―Ｈｓｉｅｎ，ＨｕａｎｇＨａｎ―ＰａＩＩｇ．Ｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｌｉｎｇｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｒｉａｎｄ［３］ｐｒｏｃｅｓａｐｅ－ｆｏｒｆｌｅｘｉｂｌｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓｕｓｉｎｇｃｏｌｏｒｅｄｔｉｍｅｄｎｅｔｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｍ．ＯｉｌＲｏｂｏｔｉｃｓａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ．２０００，１６（３）：３０１―３１２．ＦａｔｉｇｕｅａｎａｌｙｓｉｓｂａｓｅｄｏｎｏｎｔｈｅａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｒｏｄＡＮＳＹＳ图８ＡＮＳＹＳ中的疲劳分析结果ＨＵＡＮＧＫａｎｇ，ＹＡＮＧＲｏｎｇ－ｄｅ图８中计算结果表明，在此分析工况下，许用循环次数为２０４（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ０００次，使用要求为２０万次时的使用系数０．９８０３６，能够满ＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｆｅｉ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）ｌｉｆｅ―ｓｐａｎ足使用要求。Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＯｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｒｅｌｅｖａｎｔｔｈｅｏｒｙｏｆｆａｔｉｇｕｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎａｎｄｕｔｉｌｉｚｉｎｇＡＮＳＹＳｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｔｉｃａｌｓｏｆｔｗａｒｅ，３结论从以上分析可以得出以下结论：（１）该横向稳定杆的设计能够满足疲劳寿命要求；（２）可以通过ＣＡＤ／ＣＡＥ仿真分析软件快速判断机械产品的受力、可靠性、疲劳寿命等情况；（３）此分析方法大大缩短了产品的设计周期，并可以对材料的选取、结构的优化设计作出快速响应，可以用于其他类似的机械零部件设计中。参考文献［１］ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌＷａＳｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｆｏｒｔｈｅｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｒｏｄｏｆａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ．ＡｎｄｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｍｏｄｅｌｆａｔｉｇｕｅｓｉｍｕｌａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓＷａｓｍａｄｅｗｉｔｈｉｎＡＮＳＹＳ．ｔｈｕｓｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｐｒｅｄｉｃｔｅｄｌｉｆｅ?ｓｐａｎ，ｓａｆｅｔｙｆａｔｉｇｕｅｃｏｅｍｅｉｅｎｔｏｆｌｉｆｅ－ｓｐａｎａｎｄｄａｎｇｅｒｏｕｓｐｏｓｉ―Ｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｉｎａｔｉｏｎｅｔｅ．ｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｐａｒｔｓｈｏｒｔｂｉｌｉｔｙｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙｐｅｒｉｏｄｏｆｔｉｍｅ．Ｔｈｅｒｅｂｙｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｆｏｒｃｅｂｅａｒｉｎｇ，ｒｅｌｉａ－ｌｉｆｅ―ｓｐａｎｅｔｅ．ｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｐａｒｔｃａｎａｎｄｆａｔｉｇｕｅｂｅｂｅｒａｐｉｄｌｙａｊｕｄｇｅｄ．ｎｅｒｅｓｐｏｎｓｅｃａｌｌｄｅｓｉｇｎｉｎｇｍａｄｅｐｅｒｉｏｄｏｆｐｒｏｄｕｃｔＷａｓｓｈｏｒｔｅｎｅｄａｎｄｒａｐｉｄｏｎｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａ－ｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｓｔａｂｉｌｉｔｙＦｉｇ８ＴａｂＯＲｅｆ３ｒｏｄ；ＡＮＳＹＳ；ｆａｔｉｇｕｅ“ＪｉｘｉｅＳｈｅｊｉ”８０３８曾林．车用稳定杆及其发展前景［Ｊ］．弹簧工程，１９９３，１６（２）：?书讯?多工位级进模设计标准教程欧阳波仅编著◆本书根据多工位级进模设计的特点和应用，详细分析了排样设计的原则和技巧。◆本书还从工程实际的角度出发。结合经过实践生产检验的具体实例。介绍了多工位冲裁级进模、多工位弯曲级进模、多工位拉深级进模的设计过程和要点。◆汇集了来自一线工程师设计的１５副多工位级进模典型结构，具有很好的代表性和指导性，对读者有很好的启示和帮助。（书号：９７８－７―１２２－０２７９９―３定价：３８元）ＣＡＸＡ绘制机械标准图样１５０例刘日良张卧波主编◆机械制图基本知识＋制图标准＋软件绘图＝机械标准图样◆将机械制图的基本知识、最新的国家制图标准与ＣＡＸＡ软件绘图有机结合。◆１５０多个典型的绘图实例，帮助读者掌握绘图的各个知识点、技能点。◆实例涵盖了工程制图的规范与环境设置．基本绘图和编辑操作、绘图技巧。视图的表达方法。常用标准件和常用件的绘制，尺寸标注，装配图等。◆每个实例后都给出了绘制要点与提示，便于读者学习总结。◆可作为专业制图员、绘图员以及高等院校、职业院校的培训教材，也可供从事工程制图的工程技术人员学习查阅和参考。（书号：９７８－７―１２２－０３４４８―９定价：３８元）
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基于ANSYS的汽车横向稳定杆疲劳分析作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：黄康， 仰荣德， HUANG Kang， YANG Rong-de合肥工业大学,机械与汽车工程学院,安徽,合肥,230009机械设计JOURNAL OF MACHINE DESIGN)13次
参考文献(3条)1.曾林 车用稳定杆及其发展前景 1993(02)2.沈光烈 横向稳定杆对客车车身静动态响应的影响[期刊论文]-现代制造工程 2005(02)3.Kuo Chung-Hsien.Huang Han-Pang Failure modeling and process monitoring for flexible manufacturingsystems using colored timed pe-tri nets[外文期刊] 2000(03)
1. 谢业东.农琪.XIE Ye-dong.NONG Qi 基于ANSYS的厚壁容器疲劳分析[期刊论文]-制造业自动化)2. 谢业东.农琪.XIE Ye-dong.NONG Qi 基于ANSYS的筒体接管疲劳分析[期刊论文]-制造业自动化)3. 许艳玲.张保.许骥.Xu Yanling.Zhang Bao.XU Ji 基于ANSYS的6110曲轴疲劳分析[期刊论文]-传动技术)
引证文献(13条)1.潘金坤 大客车横向稳定杆的虚拟疲劳分析[期刊论文]-制造业自动化 2011(1)2.类成立.郭世永.类成玲 半挂车牵引座静力与疲劳分析[期刊论文]-现代制造技术与装备 2011(4)3.冯兰芳.王宏晓.惠延波.夏兆义 基于MSC.fatigue的某微客横向稳定杆疲劳寿命分析[期刊论文]-机械设计与制造 2013(6)4.侯健.毛君 掘进机机载双臂空间锚杆钻孔机器人设计[期刊论文]-世界科技研究与发展 2013(3)5.王斌.巴腾跃.凌天均.张建武 燃料电池轿车后横向稳定杆的轻量化设计[期刊论文]-机械设计 2012(1)6.赵凤波.安晓卫.徐文彬.李秀艳.李素妍 香蕉形直线振动筛疲劳分析[期刊论文]-沈阳理工大学学报 2010(5)7.喻川.胡伟.张建武.王斌 荣威750FCV前横向稳定杆结构的轻量化[期刊论文]-机械设计与研究 2010(3)8.瞿芳.张威.李东波 跷板式开关装置动力学建模与仿真[期刊论文]-机械设计与研究 2009(5)9.胡明福 激光熔覆技术应用于掘进机截齿的研究[期刊论文]-煤矿机电 2011(6)10.胡伟.喻川.张建武.冯奇 新能源汽车底盘纵臂的轻量化设计[期刊论文]-机械设计与研究 2010(3)11.李红艳.刚宪约 汽车稳定杆的疲劳寿命分析[期刊论文]-机械设计与制造 2010(9)12.吴巧梅.吕新民 应用Pro/MECHANICA的主传动轴的研究与分析[期刊论文]-现代制造工程 2010(6)13.余飞.吴清文.王宝石.邹艳.曲利新.黄涛.郑飞 振动疲劳寿命分析在主镜支撑结构设计中的应用[期刊论文]-中国光学与应用光学 2009(6)
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文档介绍：
基于AnsysWorkbench的卧辊磨辊轴强度计算吕中辉1张林勇2张华2张家凡1黄之初31武汉工业学院机械工程学院(江苏科行环境工程技术有限公司(武汉理工大学机电学院(430060)摘要:基于AnsysWorkbench仿真平台,针对卧辊磨辊轴的一种受力状况建立力学模型,进行有限元分析。对一个卧辊磨辊轴静力强度和疲劳安全系数计算结果表明:在所讨论的受力状况下,该磨辊轴满足静强度和抗疲劳设计要求。关键词:AnsysW卧辊磨;静强度;疲劳强度引言ANSYSWorkbenchEnvironment(AWE)是新一代多物理场协同CAE仿真环境,针对航空、汽车、电子产品结构复杂,零部件众多的技术特点,AWE可以识别相邻的零件并自动设置接触关系从而可节省模型建立的时间。AWE还提供了与CAD软件及设计流程之间的无与伦比的整合性,从而发挥CAE对设计流程最大限度的贡献[1]。磨辊轴是卧辊磨的关键部件,工作时承受着很大的工作载荷。其受力分别为液压活塞通过加压杆作用于辊轴颈部的液压力,以及辊压面粉磨物料的反作用力(包括切向的摩擦力)。辊轴的静力强度和疲劳安全系数计算是卧辊磨结构设计的重要组成部分。本文先简要介绍了卧辊磨的工作原理,然后根据辊轴在工作过程中的受力情况,给出一种简化的力学分析模型,用AWE建立有限元模型,进行静强度校核,最后基于静力计算结果对其进行疲劳强度分析。1.卧辊磨的工作原理与磨辊轴力学模型1.1卧辊磨的工作原理卧辊磨主要是由一个支托在液压滑履上的回转筒体和一个横卧在筒体内的自由回转的压辊组成的。回转筒体由电机通过减速机、传动小齿轮、大齿轮驱动。筒体粉磨带附有耐磨衬板圈,压辊借助液压缸向衬板上的物料施压、并随回转筒体转动。卧辊磨由喂料机、粉磨带和卸料带三部分组成,物料借助于一个特殊结构的装置均匀地喂入压辊中。根据物料粉磨工艺要求,通过导料板可以调整物料的辊压次数,以达到调整出料细度的目的[2]。1.2辊轴的受力状况与模型简化如图1所示,在静力状态下,一个卧辊磨辊轴所受外载荷主要是两端轴颈半圆柱面上各受到610N的压力,以及辊轴辊压面底部受到相同数值的反力。静应力计算时还考虑了辊轴自重力和旋转产生的离心力作用。辊轴辊压面底部所受到的切向摩擦力、滚动轴承对压辊的摩擦阻力较之辊轴所受到的液压力来说很小,忽略不计。图1.辊轴的受力状态力学模型简化:以物料的压实层作为支撑,压辊轴与物料层的接触面(沿辊压面轴向分布)设定为15o圆周面,在该面上施以固定位移约束,压辊轴两端轴颈上半圆柱面施加载荷。2.AWE中辊轴的有限元分析本文有限元计算采用在业界久负盛名的ANSYS大型通用有限元分析软件,这里采用其最新版本ANSYSWorkbench12.1[3]。2.1建模(1)辊轴材料性能参数设定首先设定辊轴材料的相关参数,查阅文献[4]、[5]得材料的密度?为7850kg/m3、弹性模量E为2.12×105MPa、泊松比?=0.33、抗拉强度b??590MPa、屈服强度s??390MPa、以及疲劳寿命曲线数据如表1所示。表1:S-N疲劳寿命曲线数据S(MPa)..1.35×103104S(MPa)756..2.×455×5;57(2)有限元模型先在AWE中建立实体模型、网格划分,然后对有限元模型施加约束(如图2)。运用对称约束,将实体简化成一半的模型,在对称面上施加对称约束,压辊底部15°的弧面上加3个方向的位移约束,在轴颈上半圆柱面上施加14.1Mpa的面载荷。图2.辊轴施加约束的有限元模型2.2辊轴静强度校核辊轴的有限元静力分析结果(如图3)可知,其最大等效应力点处在辊轴的碾压区,最大应力为MPa5.5126eqvmax??。对最大等效应力点静强度校核,取安全系数n=2,许用应力为:??/
390 / 2 195 MPassn?
???。根据第四强度理论校核,??max126.55MPa 195MPaeqvs?
??,满足静载设计要求。图3.辊轴的等效应力分布图2.3辊轴疲劳强度计算采用ANSYSWorkbench的疲劳分析工具,按恒定振幅、比例载荷的情况,分别取脉动循环、对称循环二种交变应力状态,进行辊轴疲劳安全系数计算,找到相应的最小疲劳安全系数的部位及数值,设计疲劳寿命取为106周次。疲劳分析过程中考虑到尺寸效应和表面加工因素(精车)后,求出疲劳强度降低系数3.1299DK??,对应AWE疲劳分析工具中疲劳强度因子fK取为0.32fK?。对于脉动循环应力状态的疲劳分析,采用古德曼(Goodman)的平均应力修正理论。由疲劳安全系数计算结果图4、图5可知,以等效应力为讨论的交变应力,其在脉动循环、对称循环下,最小疲劳安全系数分别为1.1,位置也都在辊轴辊压面端部附近。但由于该部位主要受到脉动循环载荷作用,其疲劳安全系数约取为1.8249比较合适。一般要求疲劳安全系数在1.5~2.0之间。疲劳安全系数计算结果表明:在本文的辊轴力学计算模型下,辊轴基本满足抗疲劳设计要求。图4.辊轴在脉动循环交变应力状态下的疲劳安全系数图5.辊轴在对称循环交变应力状态下的疲劳安全系数3.小结与讨论本文的疲劳强度分析是基于辊轴处于恒定振幅、比例载荷的交变应力状态条件下,所以该疲劳强度计算结果是近似简化的。在脉动交变应力状态下,疲劳安全系数最低点是在辊轴碾压区过渡圆角附近,因此在设计过程中应选用比较合适的过渡圆角半径,同时要采取措施保证该处的热处理效果。卧辊磨辊轴疲劳强度问题实际上是非恒定幅值,甚至是随机疲劳问题。我们将在下一步通过实际工况下的载荷谱或载荷时间历程测试数据或仿真计算,完善辊轴疲劳强度分析计算工作。参考文献[1]李兵等.ANSYSWorkbench设计、仿真与优化[M].北京:清华大学出版社,2010.[2]蒋冬青、倪文龙、黄之初.粉磨冶炼废渣用卧辊磨系统技术研究[J].武汉理工大学学报2007,(5).[3]蒲广益.Ansys-workbench12基础教程与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社,2010.[4]张丝雨.最新金属材料牌号、性能、用途及中外牌号对照速用速查实用手册[M].北京:中国科技文化出版社,2005.[5]赵少汴、蓝伙金.抗疲劳设计-方法与数据[M].北京:***出版社1997.1
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浏览：15次ansysworkbench实例4－－疲劳分析
目的在于完成连杆模型的疲劳分析，分析两个载荷工况：A:4500N的恒定振幅载荷，fully
reversed；B:4500N的任意载荷
A：第一种载荷工况
1.模型如下
2.施加边界条件
图中A，B为边界约束
3.添加载荷
4.疲劳分析
疲劳强度因子：取0。8
设计寿命为1000000
疲劳敏感性：最小基本载荷变化幅度为50％，最大基本载荷变化幅度为200％
疲劳敏感性
双轴指示结果
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ansys公司培训教材疲劳分析 投稿：方憈憉
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在这部分中将包括以下内容:
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上述功能适用于 ANSYS DesignSpace licenses和 附带疲劳模 块的更高级的licenses.
February 20, 2004 Inventory #-2
A. 疲劳概述
o o 结构失效的一个常见原因是疲劳,其造成破坏与重复加载有关
ANSYS Workbench – Simulation ANSYS Workbench – Simulation ANSYS Workbench – Simulation ANSYS Workbench – Simulation
疲劳通常分为两类: – 高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高 (如 1e4 - 1e9)的情况下产
生的. 因此，应力通常比材料的极限强度低. 应力疲劳（Stressbased ）用于高周疲劳. – 低周疲劳是在循环次数相对较低时发生的 。塑性变形常常伴随低周 疲劳，其阐明了短疲劳寿命。一般认为应变疲劳（strain-based ） 应该用于低周疲劳计算 .
在设计仿真中, 疲劳模块拓展程序（ Fatigue Module add-on） 采用的是基于应力疲劳（stress-based）理论，它适用于高周疲 劳. 接下来，我们将对基于应力疲劳理论的处理方法进行讨论.
February 20, 2004 Inventory #-3
… 恒定振幅载荷
o 在前面曾提到, 疲劳是由于重复加载 引起:
– 当最大和最小的应力水平恒定时, 称 为恒定振幅载荷. 我们将针对这种最 简单的形式，首先进行讨论.
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– 否则，则称为变化振幅或非恒定振幅 载荷 (本章之后将给予讨论).
February 20, 2004 Inventory #-4
… 成比例载荷
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载荷可以是比例载荷, 也可以非比例载荷: – 比例载荷, 是指主应力的比例是恒定的,并且主应力的削减不随时间 变化. 这实质意味着由于载荷的增加或反作用的造成的响应很容易
得到计算. – 相反, 非比例载荷没有隐含各应力之间 相互的关系,典型情况包括:
o 在两个不同载荷工况间的交替变化 o 交变载荷叠加在静载荷上 o 非线性边界条件
σ2 = constant σ1
February 20, 2004 Inventory #-5
… 应力定义
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考虑在最大最小应力值σmin 和 σmax作用下的比例载荷、恒定振幅 的情况: – 应力范围 Δσ 定义为 (σmax- σmin) – 平均应力 σm 定义为 (σmax+σmin)/2 – 应力幅或交变应力 σa是Δσ/2
– 应力比 R 是 σmin/ σmax – 当施加的是大小相等且方向相反的载荷时,发生的是对称循环载荷. 这就是σm = 0 ,R = -1的情况. – 当施加载荷后又撤除该载荷,将发生脉动循环载荷. 这就是 σm = σmax/2 , R = 0的情况.
σmax σmin
February 20, 2004 Inventory #-6
… 应力-寿命曲线
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载荷与疲劳失效的关系，采用的是应力-寿命曲线或S-N曲线来表 示:
– 若某一部件在承受循环载荷, 经过一定的循环次数后,该部件裂纹或 破坏将会发展，而且有可能导致失效 – 如果同个部件作用在更高的载荷下,导致失效的载荷循环次数将减少 – 应力-寿命曲线或S-N曲线,展示出应力幅与失效循环次数的关系
上述数据曲线，分别是用线性与对数来表示的. 由于数据的本质原因, 采用对数绘制曲线，往往 能更方便地查看S-N曲线的情况.
February 20, 2004 Inventory #-7
…应力-寿命曲线
o S-N曲线是通过对试件做疲劳测试得到的
– 弯曲或轴向测试反映的是单轴的应力状态 – 影响S-N 曲线的因素很多, 其中的一些需要的注意，如下: – 材料的延展性, 材料的加工工艺 – 几何形状信息,包括表面光滑度、残余应力以及存在的应力集中 – 载荷环境, 包括平均应力、温度和化学环境 o
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例如,压缩平均应力比零平均应力的疲劳寿命长,相反,拉伸平均应力 比零平均应力的疲劳寿命短.
对压缩和拉伸平均应力,平均应力将分别提高和降低S-N曲线.
February 20, 2004 Inventory #-8
…应力-寿命曲线
o 因此,记住以下几点:
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– 一个部件通常经受多轴应力状态.如果疲劳数据(S-N 曲线)是从反映 单轴应力状态的测试中得到的,那么在计算寿命时就要注意
o 设计仿真为用户提供了如何把结果和S-N 曲线相关联的选择,包括多轴应 力的选择 o 双轴应力结果有助于计算在给定位置的情况
– 平均应力影响疲劳寿命,并且变换在S-N曲线的上方位置与下方位置 ( 反映出在给定应力幅下的寿命长短)
o 对于不同的平均应力或应力
比值,设计仿真允许输入多重S-N曲线(实验数 据) o 如果没有太多的多重S-N曲线(实验数据),那么设计仿真也允许采用多种不 同的平均应力修正理论
– 早先曾提到影响疲劳寿命的其他因素,也可以在设计仿真中可以用一 个修正因子来解释
February 20, 2004 Inventory #-9
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疲劳模块允许用户采用基于应力理论的处理方法，来解决高周疲 劳问题. 以下情况可以用疲劳模块来处理:
– 恒定振幅,比例载荷(参考 B节) – 变化振幅,比例载荷(参考 C节) – 恒定振幅,非比例载荷(参考 D节)
需要输入的数据是材料的S-N曲线:
– S-N曲线是疲劳实验中获得,而且可能本质上是单轴的,但在实际的分 析中，部件可能处于多轴应力状态 – S-N曲线的绘制取决于许多因素, 包括平均应力. 在不同平均应力值 作用下的S-N曲线的应力值可以直接输入, 或可以执行通过平均应力 修正理论实现.
February 20, 2004 Inventory #-10
B. 疲劳程序 (基本情况)
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进行疲劳分析是基于线性静力分析, 所以不必对所有的步骤进行 详尽的阐述.
– 疲劳分析是在线性静力分析之后，通过设计仿真自动执行的.
o 对疲劳工具的添加，无论在求解之前还是之后，都没有关系, 因为疲劳计 算不并依赖应力分析计算. o 尽管疲劳与循环或重复载荷有关, 但使用的结果却基于线性静力分析,而 不是谐分析. 尽管在模型中也可能存在非线性,处理时就要谨慎了,因为疲 劳分析是假设线性行为的.
– 在本节中,将涵盖关于恒定振幅、比例载荷的情况. 而变化振幅、比 例载荷的情况和恒定振幅、非比例载荷的情况，将分别在以后的C 和 D节中逐一讨论.
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February 20, 2004 Inventory #-11
… 疲劳程序
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下面用黄色斜体字体所描述的步骤，对于包含疲劳工具的应力分 析是很特殊的:
– 模型 – 指定材料特性,包括S-N曲线 – 定义接触区域 (若采用的话) – 定义网格控制 (可选的) – 包括载荷和支撑 – (设定)需要的结果,包括Fatigue tool – 求解模型 – 查看结果
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ry 20, 2004 Inventory #-12
o o 疲劳计算只支持体和面
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线模型目前还不能输出应力结果,所以疲劳计算对于线是忽略的.
– 线仍然可以包括在模型中以给结构提供刚性, 但在疲劳分析并不计算 线模型
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February 20, 2004 Inventory #-13
… 材料特性
o 由于有线性静力分析,所以需要用到杨氏模量和泊松比
– 如果有惯性载荷,则需要输入质量密度 – 如果有热载荷,则需要输入热膨胀系数和热传导率
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– 如果使用应力工具结果( Stress Tool result),那么就需要输入应力极 限数据,而且这个数据也是用于平均应力修正理论疲劳分析.
疲劳模块也需要使用到在工程数据分支下的材料特性当中S-N曲 线数据
– 数据类型在“疲劳特性” (“Fatigue Properties”)下会说明 – S-N曲线数据是在材料特性分支条下的 “交变应力与循环” (“Alternating Stress vs. Cycles” )选项中输入的
o 如果S-N曲线材料数据可用于不同的平均应力或应力比下的情况, 那么多 重S-N曲线也可以输入到程序中
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February 20, 2004 Inventory #-14
… 疲劳材料特性
添加和修改疲劳材料特性:
February 20, 2004 Inventory #-15
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… 疲劳材料特性
o 在材料特性的工作列表中,可以定义下列类型和输入的S-N曲线
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– 插入的图表可以是线性的（“Linear”） 、半对数的（“Semi-Log” 即linear for stress, log for cycles）或双对数曲线（ “Log-Log”）
– 记得曾提到的，S-N曲线取决于平均应力。如果S-N曲线在不同的平 均应力下都可适用的，那么也可以输入多重S-N曲线
o 每个S-N曲线可以在不同平均应力下直接输入 o 每个S-N曲线也可以在不同应力比下输入
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February 20, 2004 Inventory #-16
… 疲劳材料特性
可以通过在 “Mean Value” 上点击
鼠标右键添加新的平均值来输 入多条S－N曲线.
February 20, 2004 Inventory #-17
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… 疲劳特性曲线
o 材料特性信息可以保存XML文件或从XML文件提取
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– 保存材料数据文件，在material 条上按右键，然后用“Export …” 保存成 XML外部文件 – 疲劳材料特性将自动写到XML 文件中，就像其他材料数据一样。
一些例举的材料特性在如下安装路径下可以找到:
C:\Program Files\Ansys Inc\v80\AISOL\CommonFiles\Language\enus\EngineeringData\Materials
– “Aluminum” 和 “Structural Steel” 的XML 文件，包含有范例疲劳数据 可以作为参考 – 疲劳数据随着材料和测试方法的不同而有所变化，所以很重要一点就是 ，用户要选用能代表自己部件疲劳性能的数据
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February 20, 2004 Inventory #-18
… 接触区域
o 接触区域可以包括在疲劳分析中
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– 注意，对于在恒定振幅、成比例载荷情况下处理疲劳时，只能包含绑定 （Bonded） 和不分离（No-Separation）的线性接触 – 尽管无摩擦、有摩擦和粗糙的非线性接触也能够包括在内，但可能不再 满足成比例载荷的要求
o 例如，改变载荷的方向或大小，如果发生分离，则可能导致主应力轴向发生 改变. o 如果有非线性接触发生，那么用户必须小心使用，并且仔细判断 o 对于非线性接触，若是在恒定振幅的情况下，则可以采用非比例载荷的方法 代替计算疲劳寿命
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February 20, 2004 Inventory #-19
… 载荷与支撑
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能产生成比例载荷的任何载荷和支撑都可能使用，但有些类型的 载荷和支撑不造成比例载荷: – 螺栓载荷对压缩圆柱表面侧施加均布力，相反，圆柱的相反一侧的
载荷将改变 – 预紧螺栓载荷首先施加预紧载荷，然后是外载荷，所以这种载荷是 分为两个载荷步作用的过程 – 压缩支撑（Compression Only Support）仅阻止压缩法线正方向 的移动，但也不会限制反方向的移动
像这些类型的载
荷最好不要用于恒定振幅和比例载荷的疲劳计算
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February 20, 2004 Inventory #-20
… (设定)需要的结果
o 对于应力分析的任何类型结果，都可能需要用到：
– 应力、应变和变形 – 接触结果 (如果版本支持) – 应力工具（Stress Tool）
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另外，进行疲劳计算时，需要插入疲劳工具条（Fatigue Tool ）
– 在Solution子菜单下，从相关的工具条上添加“Tools > Fatigue Tool”
o Fatigue Tool 的明细窗中将控制疲劳计算的求解选项
– 疲劳工具条（Fatigue Tool ）将出现在相应的位置中,并且也可添加 相应的疲劳云图或结果曲线
o 这些是在分析中会被用到的疲劳结果，如寿命和破坏
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February 20, 2004 Inventory #-21
… 需要的结果
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在疲劳计算被详细地定义以后，疲劳结果可下在Fatigue Tool下 指定 – 等值线结果（Contour）包括Lifes(寿命), Damage(损伤), Safety Factor（安全系数）, Biaxiality Indication（双轴指示）, 以及 Equivalent Alternating Stress（等效交变应力）
– 曲线图结果(graph results)）仅包含对于恒定 振幅分析的疲劳敏感性(fatigue sensitivity) – 这些结果的详细分析将只做简短讨论
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February 20, 2004 Inventory #-22
… Fatigue Tool – 载荷类型
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当Fatigue Tool在求解子菜单下插入以后，就可以在细节栏中输 入疲劳说明
– 载荷类型可以在“Zero-Based” 、“Fully Reversed” 和给定的 “Ratio”之间定义 – 也可以输入一个比例因子，来按比例缩放所有的应力结果
从部分 A知道Ratio=0时与 “ZeroBased” 载荷相同， Ratio=-1 相当于 “Fully Reversed” 载荷.载荷类型说明最 大最小振幅。“历程数据”载荷类型将在 Section C中讨论，因为它是不定振幅载 荷。
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February 20, 2004 Inventory #-23
… Fatigue Tool – 平均应力影响
– 在前面曾提及，平
均应力会影响S-N曲线的结果. 而 “Analysis Type”说明了程序对平均应力的处理方法:
o “SN-None”： 忽略平均应力的影响 o “SN-Mean Stress Curves” ：使用多重S-N曲线（如果定义的话）
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o “SN-Goodman,” “SN-Soderberg,” 和 “SN-Gerber” ：可以使用平均应 力修正理论
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February 20, 2004 Inventory #-24
… Fatigue Tool – 平均应力的影响
– 如果有可用的试验数据，那么建议使用多重S-N曲线(SN-Mean Stress Curves)
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– 但是，如果多重S-N曲线是不可用的，那么可以从三个平均应力修正 理论中选择.这里的方法在于将定义的单S-N曲线“转化”到考虑平均 应力的影响:
1.对于给定的疲劳循环次数，随着平均应力的增加，应力幅将有所降低 2. 随着应力幅趋近零，平均应力将趋近于极限（屈服）强度 3.尽管平均压缩应力通常能够提供很多的好处，但保守地讲，也存在着许多 不利的因素 (scaling=1=constant)
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可以视其为单个S-N曲线的组合线。平行线 是1.0，于是对于拉伸平均应力，S-N曲线 将向下转变。
February 20, 2004 Inventory #-25
… Fatigue Tool – 平均应力的影响
– Goodman 理论适用于低韧性材料, 对压缩平均应力没能做修正. – Soderberg 理论比Goodman理论 更保守,并且在有些情况下可用于脆性材料. – Gerber 理论能够对韧性材料的拉伸平均应力 提供很好的拟合,但它不能正确地预测出压 缩平均应力的有害影响, 如左图所示
– 缺省的平均应力修正理论可以从 “Tools > Control Panel: Fatigue > Analysis Type” 中进行设置
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– 如果存在多重S-N曲线,但用户想要使用平均应力修正理论,那么将会 用到在σm=0 或R=-1的S-N曲线。尽管如此, 这种做法并不推荐
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February 20, 2004 Inventory #-26
… Fatigue Tool – 强度因子
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除了平均应力的影响外,还有其
它一些影响S-N曲线的因素 – 这些其它影响因素可以集中体现在疲劳强度(降低)因子Kf中, 其值可
以在Fatigue Tool 的细节栏中输入. – 这个值应小于1，以便说明实际部件和试件的差异 . – 所计算的交变应力将被这个修正因子Kf分开,而平均应力却保持不变.
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February 20, 2004 Inventory #-27
… Fatigue Tool – 应力成分
o o 在A部分中,注意到疲劳试验通常测定的是单轴应力状态
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必须把单轴应力状态转换到一个标量值,以决定某一应力幅下(S-N 曲线)的疲劳循环次数.
– Fatigue Tool细节栏中的应力分量( “Stress Component” )允许用 户定义应力结果如何与疲劳曲线S-N进行比较 – 6个应力分量的任何一个或最大剪切应力、最大主应力、或等效应力 也都可能被使用到. 所定义的等效应力标示的是最大绝对主应力，以 便说明压缩平均应力.
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February 20, 2004 Inventory #-28
… 求解疲劳分析
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疲劳计算将在应力分析实施完以后自动地进行.与应力分析计算相 比，恒定振幅情况的疲劳计算通常会快得多 如果一个应力分析已经完成，那么仅选择Solution 或Fatigue Tool 分支并点击Solve符号 ，便可开始疲劳计算 在求解菜单中（solution branch）的工作表将没有输出显示.
– 疲劳计算在Workbench 中进行 ，ANSYS的求解器不会执行分析中 的疲劳部分. – 疲劳模块没有使用 ANSYS /POST1 的疲劳命令 (FSxxxx, FTxxxx)
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February 20, 2004 Inventory #-29
… 查看疲劳结果
o 对于恒定振幅和比例载荷情况，有几种类型的疲劳结果供选择: – Life（寿命）
o 等值线显示由于疲劳作用直到失效的循环次数 o 如果交变应力比S-N曲线中定义的最低交变 应力低，则使用该寿命（循环次数） (在本例中,S-N曲线失效的最大循环次数是1e6， 于是那就是最大寿命
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– Damage（损伤）
o 设计寿命与可用寿命的比值 o 设计寿命在细节栏（ Details view ）中定义 o 设计寿命的
缺省值可通过下面进行定义 “Tools > Control Panel:Fatigue > Design Life”
Damage = LifeDesign Life Available
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February 20, 2004 Inventory #-30
… 查看疲劳结果
– Safety Factor（安全系数）
o 安全系数等值线是关于一个在给定设计寿命下的 失效 o 设计寿命值在细节栏（ Details view ）输入 o 给定最大安全系数SF值是15
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σ @design life σ @location
– Biaxiality Indication
o 应力双轴等值线有助于确定局部的应力状态 o 双轴指示（Biaxiality indication）是较小与较 大主应力的比值 (对于主应力接近0的被忽略).因 此，单轴应力局部区域为B值为0，纯剪切的为1，双轴的为1
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回忆一下，通常疲劳试验数据是光滑试件在单轴应力作用下测定的 (而扭转试验将针对纯剪 切). 双轴指示（biaxiality indication）有助于确定所关心的区域的应力状态是否与试验条件下的 20, 2004 February 相似.在本例中，所关心的区域（中心）的B值是-1，所以剪切占主导. Inventory #002018
…查看疲劳结果
– 等效交变应力 (Equivalent Alternating Stress）：
o 等值线在模型上绘出了部件的等效交变应力,它 是基于所选择应力类型，在考虑了载荷类型和平 均应力影响后，用于询问（query）S-N曲线的 应力
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– 疲劳敏感性 ( Fatigue Sensitivity ):
o 一个疲劳敏感曲线图显示出部件的寿命、损伤或 安全系数在临界区域随载荷的变化而变化 o 能够输入载荷变化的极限 (包括负比率) o 曲线图的缺省选项 o “Tools menu > Options… Simulation: Fatigue > Sensitivity”
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February 20, 2004 Inventory #-32
…查看疲劳结果
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任何疲劳选项的范围可以是选定的部件（parts）和/或部件的表 面 收敛性可用于等值线结果
– 收敛和警告对疲劳敏感性图是无效的,因为这些图提供关于载荷的敏 感性(例如,没有为了收敛目的而指定的标量选项)
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February 20, 2004 Inventory #-33
… 查看疲劳结果
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疲劳工具也可以与 求解组合 一起使用
– 在求解组合中, 多重环境可能被组合.疲劳计算将基于不同环境的线 性组合的结果.
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February 20, 2004 Inventory #-34
o 疲劳分析步骤总结:
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建立一个应力分析(线性,比例载荷)
定义疲劳材料特性,包括S-N曲线
定义载荷类型和平均应力影响的处理
求解和后处理疲劳结果Solve and postprocess fatigue results
Model shown is from a sample Solid Edge part.
February 20, 2004 Inventory #-35
C. 疲劳: 不定振幅情况
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在前面一节中,考察了恒定振幅和比例载荷的情况,并涉及到最大 和最小振幅在保持恒定的情况下的循环或重复载荷. 在本节, 将针对不定振幅、比例载荷情况,尽管载荷仍是成比例的, 但应力幅和平均应力却是随时间变化的.
February 20, 2004 Inventory #-36
… 不规律载荷的历程和循环 (History and Cycles)
o 对于不规律载荷历程,需要进行特殊处理:
– 计算不规律载荷历程的循环所使用的是“雨流” rainflow循环计算
o “雨流”循环计算(Rainflow cycle counting) 是用于把不规律应力历程转化为用于疲劳 计算的循环的一种技术(如右面例子) o 先计算不同的“平均”应力和应力幅(“range”)的 循环,然后使用这组“雨流”循环完成疲劳计算.
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– 损伤累加是通过Palmgren-Miner 法则完成的
o Palmgren-Miner法则的基本思想是:在一个给定的平均应力 和应力幅下,每次循环用到有效寿命占总和的百分之几.对于在 一个给定 应力幅下的循环次数Ni,随着循环次数达 到失效次数Nfi时 ,寿命用尽,达到失效.
Ni ∑ N =1 fi
– “雨流”循环计算和 Palmgren-Miner损伤累加都用于不定振幅情况
关于“雨流”和palmgren miner”法则超出了本教程的范围.可以查看疲劳工具书以获取更多的细节
February 20, 2004 Inventory #-37
…不规律载荷的历程和循环 (History and Cycles)
– 因此,任何任意载
荷历程都可以切分成一个不同的 平均值和范围值的循环阵列 (“多个竖条”) ,
o 右图是“雨流”阵列,指出了在每个平均值和范 围值下所计算的循环次数 o 较高值表示这些循环的将出现在载荷历程中
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– 在一个疲劳分析完成以后,每个“竖条”(即“循环” ) 造成的损伤量将被绘出
o 对于“雨流” 阵列 中的每个“竖条”(bin)，显示的是 对应的所用掉的寿命量的百分比 o 在这个例子中,即使大多数循环发生在低范围/平均 值,但高范围(range)循环仍会造成主要的损伤. o 依据Per Miner法则,如果损伤累加到1 (100%),那么 将发生失效.
February 20, 2004 Inventory #-38
… 不定振幅程序
o 归纳一下不定振幅的步骤:
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建立引领分析(线性,比载荷)
定义疲劳材料特性(包括S-N曲线)
定义载荷历程数据,并以及平均应力 的影响的处理
为“雨流”循环次数的计算定义bins的 数量
求解并查看疲劳结果(例如,损伤matrix,损伤等值线图,寿命等值线等)
February 20, 2004 Inventory #-39
… 不定振幅程序
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对于建立基于不定振幅、比例载荷情况下疲劳分析的过程，与前 面讲过的B部分中介绍非常相似,但有两个例外:
– 载荷类型的定义不同 – 查看的疲劳结果中包括变化的“雨流”和损伤阵列
February 20, 2004 Inventory #-40
… 定义载荷类型
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在Fatigue Tool的Details 栏中, 载荷类型“Type”指的是历程数据 “History Data”
– 既而, 在“History Data Location” 下定义一个外部文件. 这个文本文 件将会包含一组循环(或周期)的载荷历程点 – 由于历程数据文本文件的数值表示的是载荷的倍数,所以比例因子 “Scale Factor” 也能够用于放大载荷.
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在定义完包含载荷点的外部文本文件后 ,其曲线图将在工作表中显示出来. 注意一点,一旦文本文件读入程序,那么 数值就保存在Design Simulation 中. 数据不是动态的(例如,要改变文本文件 中的数据需要重新把它们读入Design Simulation.样本历程载荷数据可以在 安装路径下找到: C:\Program Files\Ansys Inc\v80\AISOL\Co
mmonFiles\La nguage\enus\EngineeringData\Load Histories
February 20, 2004 Inventory #-41
… 定义无限寿命
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– 在恒定振幅载荷中,如果应力低于S-N曲线中最低限,曾提过的最后定 义的循环次数将被使用. 但在不定振幅载荷下,载荷历程将被划分成 各种平均应力和应力幅的“竖条”(“bins”).由于损伤是累积起来的,这 些小应力可能造成相当大的影响,即当循环次数很高时. 因此,如果应 力幅比S-N曲线的最低点低,“无限寿命”值可以在Fatigue Tool 的 Details 栏中输入,以定义所采用循环次数的值.
o 损伤的定义是循环次数与失效时次数的比值,因此对于没有达到S-N曲线 上的失效循次数的小应力,“无限寿命”就提供这个值. o 通过对“无限寿命”设置较大值,小应力幅循环(“Range”)的影响造成的损 伤将很小,因为损伤比率较小(damage ratio).
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February 20, 2004 Inventory #-42
… 定义bin size
o rainflow 阵列尺寸 是 bin_size x bin_size.
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– “竖条尺寸” (“Bin Size”)也可以在 Fatigue Tool 的Details 栏中定义
o Bin size越大, 排列的阵列就越大,于是平均(mean)和范围(range)可以考虑的 更精确,否则将把更多的循环次数放在在给定的竖条中 (看下图). o 但是对于疲劳分析,竖条的尺寸越大,所需要的内存和CPU成本会越高.
Bin Size=10
Bin Size=32
Bin Size=64
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bin size 范围可以从10到200. 缺省值是32 ,可以在Control Panel 中修改.
February 20, 2004 Inventory #-43
… 定义 竖条尺寸
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– 另一方面请注意,我们可以看到单根锯齿或正弦曲线的载荷历程数据 将产生与B部分中所讲的恒定振幅相似的结果.
o 注意,这样的一个载荷历程将产生一个与恒定振幅情况下同样的平均应力 和应力幅的计算. o 这个结果可能与恒定振幅情况有轻微差异取决于竖条的尺寸,因为range 的均分方式可能与确切值不一致,所以,如果应用的话,推荐使用恒定振幅 法.
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February 20, 2004 Inventory #-44
… Quick Counting
o 前面的讨论非常清楚地指出“ bins”的数目影 响求解精度。这是因为交互和平均应力在计 算部分损伤前先被输入到“bins”中。这就是 “Quick Counting” 技术
– 默认方法（因为其效率高）
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“Quick Rainflow Counting”可以在“Details view”中关闭. 在这种情况下，部分损伤发现 前数据不会被输入到“bins”，因此“bins”的 数目不会影响结果
– 虽然这种方法很准确，但它会耗费更多的内存 和计算时间
February 20, 2004 Inventory #-45
… 求解不定振幅情况
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定义了需要的结果以后,不定振幅情况就可以采用恒定振幅情况相 似的方式,与应力分析一起或在应力分析以后进行求解. 由于求解的时间取决于载荷历程和竖条尺寸,所在进行的求解可能 要比恒定振幅情况的时间长,但它仍比常规FEM的求解快.
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February 20, 2004 Inventory #-46
… 查看疲劳结果
o 结果与恒定振幅情况相似:
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– 代替疲劳循环次数,寿命结果报告了直到失效的载荷‘块’的数量. 举个 例子,如果载荷历程数据描述了一个给定的时间‘块’ (假设是一周的时 间),以及指定的最小寿命是50,那么该部件的寿命就是50 ‘块’ 或50周. – 损伤和安全系数(Damage and Safety Factor)基于在Details 栏中输 入的设计寿命(Design Life),但仍然是以 ‘块’形式出现,而不是循环. – Biaxiality Indication(双轴指示)与恒定振幅情况一样,对于不定振幅 载荷均可用. – 对于不定振幅情况，Equivalent Alternating Stress(等效交变应力) ，不能作为结果输出。这是因为单个值不能用于决定失效的循环次 数,因而采用基于载荷历程的多个值. – Fatigue Sensitivity(疲劳敏感性) 对于寿命‘块’也是可用的.
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February 20, 2004 Inventory #-47
…查看疲劳结果
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在不定振幅情况中也有一些自身独特的结果: – Rainflow 阵列, 虽然不是真实的结果, 对于输出是有效的,在前面已
论了. 它提供了如何把交变和平均应力从载荷历程 划分成竖条的信息. – 损伤阵列 显示的是指定的实体(scoped entities) 的评定位置的损伤. 它反映了所生成的每个竖条损伤的 大小. 注意,结果是在指定的部件或表面的临界位置上的结果.
这里出示的是源于同样载荷 历程的两个结果,左边显示了 大部分损伤发生在低应力幅 下 ,而右边显示了大部分损伤 发生在最高应力幅下.
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February 20, 2004 Inventory #-48
D. 疲劳:非比例载荷 (Non-Proportional Case)
o o 在 B部分中,讨论了恒定振幅和比例载荷情况. 本节将针对恒定振幅非比例载荷情况进行介绍. – 其基本思想是用两个加载环境 代替单一加载环境，进行疲劳计算.
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– 不采用应力比,而是采用两个载荷环境的应力值来决定最大最小值.由 于同一组应力结果不并不成比例，这就是为什么这种方法称为非比 例(non-proportional)的原因,但是两组结果都会使用到. – 由于需要两个解,所以可以采用求解组合来实现.
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February 20, 2004 Inventory #-49
… 非比例程序
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对于恒定振幅,非比例情况的处理过程与恒定振幅、比例载荷的求 解基本相同,除了下面所提出的以外 :
1. 建立两个带不同载荷条件的环境(two Environment )分支条 2. 增加一个求解组合分支条( Solution Combination branch)，并定 义两个环境 3. 为求解组合(solution combination)添加 Fatigue Tool (和其他结果 ) ,并将载荷类型定义“非比例”（Non-Proportional）”. 4. (定义)所需的结果并求解
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February 20, 2004 Inventory #-50
…非比例程序
1. 建立两个载荷环境( two loading environments:)
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– 这两个载荷环境可以有两组不同的载荷以模仿两载荷的交互形式(支撑也 是一样)
o 例如, 一个是弯曲载荷,另一个是扭转载荷作为两个环境(Environments),这样 的疲劳载荷计算将假定为在这样的两个载荷环境下的交互受载的.
– 一个交互载荷可以叠加到静载荷上
例如,有一个恒定压力和一个力矩载荷.对于其中一个环境(Environment)仅定 义恒定压力,而另一个环境定义为恒定压力力矩载荷.这就将模仿成一个恒定压 力和交变力矩.
– 非线性支撑/接触(supports/contact)或非比例载荷的使用
o 例如,仅有一个压缩支撑.只要阻止刚体运动,那么两个环境应该反映的是某一 方向和其相反的方向的载荷.
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February 20, 2004 Inventory #-51
…非比例程序
2.从模型分支条下增加一个求解组合( Solution Combination )
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– 在工作表(Worksheet)中, 添加用于计算的两个环境 (Environments).注意,系数可以是一个数值,只有一种情况除外，即 结果是被缩放的. – 注意, 两个环境将会很好地用于非比例载荷.从两个环境（ Environments）产生的应力结果将决定对于给定位置的应力范围.
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February 20, 2004 Inventory #-52
…非比例程序
3. 求解组合(solution combination)添加 Fatigue Tool
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– “Non-Proportional” 必须作为 “Type” 在Details 栏中定义.任何其 他选项将把两个环境(two Environments)当作线性组合(见 sectionB的结尾) – 比例系数、疲劳强度系数(因子)、分析类型以及应力组分都可以进行 相应地设置.
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February 20, 2004 Inventory #-53
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4. (定义)所需的其他结果并求解
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– 对于非比例载荷,用户可能需要获得与作用在比例载荷情况下同样的 结果. – 唯一的差别在于双轴指示(Biaxiality Indication).由于所进行的分析 是在作用在非比例载荷条件下,所以对于给定的位置,没有单个应力双 轴性存在.应力双轴性的平均或标准偏差可以在 Details 栏中进行设 置.
o 平均应力双轴性是直接用来解释的.标准偏差显示的是在给定位置的应力 状态改变量.因此,一个小标准偏差值是指行为接近比例载荷；而大的标准 偏差值，则是指在主应力方向上的足够变化.
– 在两个环境(two Environments )首先得到求解以后,疲劳求解将自 动进行.
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February 20, 2004 Inventory #-54
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– 目标在于完成一个连杆模型的疲劳分析(ConRod.x_t). 具体地,我们将分析两个 载荷环境(environments): 1) 4500 N的恒定振幅载荷 Fully R2) 4500N的任意载荷.
February 20, 2004 Inventory #-55
ANSYS Workbench 疲劳分析 疲劳模块 本章概述 o o 本章将介绍疲劳模块拓展功能的使用: – 使用者要先学习第4章线性静态结构分析. 培训手朋 ANSYS Workbench – Simulation ANSYS Workbench …
ANSYS Workbench 疲劳分析 疲劳模块 本章概述 o o 本章将介绍疲劳模块拓展功能的使用: – 使用者要先学习第4章线性静态结构分析. 培训手朋 ANSYS Workbench – Simulation ANSYS Workbench …
ANSYS Workbench 疲劳分析 疲劳模块 本章概述 o o 本章将介绍疲劳模块拓展功能的使用: – 使用者要先学习第4章线性静态结构分析. 培训手朋 ANSYS Workbench – Simulation ANSYS Workbench …
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