基于ANSYS的專用噴灑車主管路隨機疲勞分析

2013-06-10 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者: 申祖武*許志貴*王天運*劉水江來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: ANSYS 車裁管路隨機振動隨機疲勞計算
應用ANSYS有限元分析軟件,在路面不平度所引起的隨機振動激勵下,對噴灑車主管路進行頻率響應分析,獲得結(jié)構(gòu)動態(tài)應力響應PSD(功率譜密度),根據(jù)線性累積損傷理論和材料的S-N曲線,計算出結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

武漢理工大學和某科研所共同開展了核輻射沾染清除技術(shù)的相關(guān)研究,其中噴灑車是核廢物清理系統(tǒng)中的一個重要裝備。道路表面的凹凸不平是隨機的,它對車輛產(chǎn)生隨機激勵,如果這種隨機激勵引起的振動過大的話,將使得乘員感到不舒服和不適應,同時也使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞破壞。如果噴灑車在趕赴現(xiàn)場或作業(yè)中管路系統(tǒng)發(fā)生破壞,這對整個核輻射沾染清除工作的影響是致命的。

疲勞分析的最終目的是要確定結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命,目前對確定性周期振動和隨機振動載荷引起的振動疲勞壽命預計問題研究得較多。本文把隨機振動疲勞壽命的預計方法引人到車載設(shè)備的疲勞壽命預測中,在產(chǎn)品設(shè)計階段就可根據(jù)疲勞壽命分布圖直觀地判斷出設(shè)備疲勞壽命薄弱位置,發(fā)現(xiàn)影響疲勞壽前的主要因素,從而改進結(jié)構(gòu),主動控制產(chǎn)品的疲勞壽命。

本文采用疲勞壽命數(shù)值仿真分析方法,通過動力學仿真計算,得到結(jié)構(gòu)在頻域上的動應力分布和傳遞函數(shù),根據(jù)這些動應力分布,應用ANSYS中Fatigue疲勞分析模塊,計算管路的疲勞壽命。

1 隨機疲勞分析方法

隨機載荷的長期作用會使零件產(chǎn)生隨機疲勞。一般的隨機載荷,其應力幅和平均應力都是隨機變化的,這樣使隨機疲勞計算變得很復雜。通常是采用計數(shù)法(如峰值計數(shù)法、雨流計數(shù)法)得到應力的峰值或幅值的概率分布,為估算零部件的壽命提供依據(jù)。

1.1 隨機振動疲勞分析流程

用有限元法計算隨機疲勞壽命的主要步驟為:

(1)根據(jù)載荷和幾何結(jié)構(gòu)計算中的應力應變歷史計算動態(tài)應力應變響應;

(2)建立合理的損傷模型;

(3)利用該應力應變響應結(jié)合材料性能參數(shù)和損傷模型計算疲勞壽命。疲勞分析的簡單流程如圖所示。本文根據(jù)線性累積損傷理論,采用功率譜法,在獲得結(jié)構(gòu)動態(tài)應力響應PSD(功率譜密度)和S-N曲線后,計算結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

1.2 材料的疲勞特性(S-N曲線)

S-N曲線描述的是應力幅。與開始斷裂時的循環(huán)數(shù)Nf的關(guān)系,即為疲勞壽命。對于任何類型的疲勞載荷,構(gòu)件的S-N曲線都可以通過疲勞試驗確定。

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圖1 隨機振動疲勞分析流程

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圖2 疲勞曲線(S—N曲線)

對標準旋轉(zhuǎn)軸試件施加彎曲載荷,得到兩種典型材料抗彎曲的疲勞曲線,如圖2所示。隨著N的增加疲勞許用應力迅速減小,但超過一百萬次后最大應力不再發(fā)生變化,且曲線維持在2.3X108Pa處。該應力稱為完全交變應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。有幾種方程可以近似描述S-N曲線,最簡單、最可接受的是冪函數(shù)形式:

式中,是疲勞強度系數(shù)。是由S-N曲線外推到第—個半循環(huán)的應力幅值;b是疲勞強度指數(shù),是雙對數(shù)坐標中S-N曲線的斜率。
1.3 疲勞累計損傷理論

疲勞累積損傷假設(shè)多達數(shù)十種,對于在等幅載荷下的疲勞損傷研究比較深入,在工程中已得到廣泛的應用。但隨機振動機械的零部件承受的不是等幅載荷,而是具有隨機特性的變幅載荷,目前解決這個問題的途徑是基于線性累計損傷規(guī)律。通過等幅疲勞實驗的數(shù)據(jù)來估算變幅載荷下的疲勞壽命H。線性累計損傷規(guī)律的表達式如下:

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式中,m=-l/b;D為節(jié)點的線性累積損傷系數(shù);為節(jié)點應力幅值;為任意—個量級的作用次數(shù);為單獨等幅作用下產(chǎn)品疲勞破壞的總次數(shù);為零件各節(jié)點的壽命。的關(guān)系由材料的疲勞特性曲線決定。

最后根據(jù)Miner定理,當D≥l,則認為該節(jié)點失效,這樣就很容易得到分析模型上各節(jié)點S的分布。

2 噴灑車主管路疲勞分析

2.1 有限元分析模型

整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中水箱和水泵質(zhì)量大而集中,而且它們和車體剛性連接。因此對管路的振動影響小。這樣就可以把水箱、水泵和車體看成一個整體,只選取系統(tǒng)中管路部分進行建模分析。模型如圖3所示。單元類型采用梁單元beaml88,在用bcaml88建模時必須先定義界面形狀。而且必須指定一個方向關(guān)鍵點來確定截面方向。網(wǎng)格劃分采用智能網(wǎng)格劃分,可以根據(jù)需要控制單元的大小和形狀。此管路被劃分為3000個單元。

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圖3 有限元分析模型圖4 頻率響應分析彎矩圖

2.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析主要了解模型的動態(tài)特性。得到它在PSD載荷譜所覆蓋的頻帶內(nèi)每一階的固有頻率,為下一步的頻率響應分析做準備。計算所得到的前五階頻率如表1所示。

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表1 前五階固有頻率

2.3 頻率響應分析

完成頻率響應分析需要在激勵方向上施加在整個求解頻帶內(nèi)以加速度為單位載荷的激勵譜,對于本模型激勵譜加載在主管路兩固定端。激勵譜選取典型路面譜,公路等級為B級,行駛速度為15m/s。然后確定系統(tǒng)的傳遞函數(shù),得到模型在各階頻率上的應力分布情況。圖4所示的主管路彎矩圖間接反映了應力分布情況。

通常頻率響應分析通過插值(線性插值或?qū)?shù)插值)的方式來求解在整個頻率范圍內(nèi)各頻率點上的響應。如果參數(shù)取得不恰當,會造成共振頻率點泄漏,所以必須根據(jù)前面模態(tài)分析的結(jié)果。采取相應措施強制讓頻率響應分析通過系統(tǒng)的固有頻率點,否則會給計算結(jié)果帶來很大的誤差,影響結(jié)論的可靠性。

2.4 隨機振動疲勞分析

ANSYS中疲勞計算在通用后處理器POSTl中進行,但必須是已經(jīng)完成了應力計算,對本例即耍完成頻率響應計算。一般包括如下5個主要步驟:

(1)進入后處理POSTl,恢復數(shù)據(jù)庫。

(2)建立位置(Location)、事件(Event)和載荷(Loading)數(shù)。定義材料疲勞性質(zhì)并確定應力位置和定義應力集中系數(shù)。選取靠近固定端的應力集中節(jié)點(節(jié)點334)作為應力位置(Location)。從數(shù)據(jù)庫中提取對應的應力值。定義材料疲勞性質(zhì),即輸入圖2的材料S-N曲線。

(3)保存不同事件(Event)和不同載荷(Loading)下關(guān)心位置的應力。并指定事件(Location)的重復次數(shù)和比例系數(shù)。從頻率響應分析得知主管路在一階頻率24.105Hz附近發(fā)生共振。則每小時循環(huán)次數(shù)N=24.105×3600=86778次。

(4)激括疲勞計算。

(5)查看結(jié)果。計算所得每小時的損傷度。