抗疲勞設(shè)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(guān)鍵字: 有限元分析安世亞太抗疲勞設(shè)計 SN FEA

設(shè)計人員使用SN方法計算疲勞壽命

在計算疲勞壽命時,應(yīng)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(shè)計solidworks simulation分析圖片1

這種方法假設(shè)零部件在恒定的幅度、恒定的平均應(yīng)力載荷周期下工作。通過使用SN曲線,設(shè)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(yīng)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(guān),并且損壞積累速度與應(yīng)力水平無關(guān)。

變幅載荷:

抗疲勞設(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力除以較大主要交替應(yīng)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(yīng)力和平均應(yīng)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(shè)計人員提高零部件的安全性,同時減少過度設(shè)計、笨重和高成本的設(shè)計。利用現(xiàn)今的技術(shù)來避免疲勞,常?？梢灶A防巨大的災(zāi)難。隨著技術(shù)的日益發(fā)展,疲勞安全設(shè)計不僅可以減少運行失效,使設(shè)計人員能夠有更多的機會設(shè)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(yīng)力范圍及其相關(guān)聯(lián)的平均應(yīng)力。該圖形可以顯示最初“被雨水注滿”的載荷歷史。

抗疲勞設(shè)計solidworks simulation分析圖片4

應(yīng)力范圍及其相關(guān)聯(lián)的平均應(yīng)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(yīng)力范圍和平均應(yīng)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(yīng)力范圍和平均值。根據(jù)所得到的結(jié)果,可以應(yīng)用Miner規(guī)則,計算疲勞壽命。

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