mechanica疲劳分析的简单应用

中华秀剑 · 发表于 2006-10-7 20:16:30

基本概念
1）高周疲劳　材料在低于其屈服强度的循环应力下，经1e5以上循环次数而产生的疲劳
2）低周疲劳　材料在接近或超过其屈服强度的循环应力下，经1e2－1e5次塑性应变循环次数而产生的疲劳
在高周疲劳中，疲劳的整个过程中弹性应变起主导作用。但在低周疲劳中，塑性应变逐渐成为疲劳破坏的主导因素，使应力－寿命（S－N）曲线随应力水平的提高趋于平坦。此时很难用应力描述实际寿命的变化，此时就产生了应变－寿命曲线（E－N曲线）。
3）无限寿命　对于钢而言，在S－N曲线上，一般对应于N＝1e7应力可视为在此应力下零件可承受无限多次循环，此应力即为持久极限。

MECHNAICA使用的是E－N方法。
MECHANICA使用了通常的疲劳材料特性来模拟低合金钢、纯铁、铝合金和钛合金。这些特性不能得出实际应用中的准确的疲劳寿命，但可从中得知零件是否有疲劳破坏的隐患，是否需要进行进一步的分析。

Mechanica疲劳分析的要求
1）    3D实体或壳模型
2）    各向同性的材料
3）    1个静态分析
4）    材料必须输入疲劳特性项

影响疲劳寿命的因素
E－N曲线是由标准尺寸（6mm直径）、材料的沙漏形抛光试棒加载对称循环载荷（拉伸或弯曲或扭转）得到的。
实际应用中，下列因素会影响一个零件的持久极限。
＊零件尺寸，Csize
圆棒直径＜6mm,Csize=1
圆棒直径（6mm<d<250mm）, Csize=1.189d^(-0.097)
* 载荷类型，Cload
　测量载荷    目标载荷    Cload
轴向    弯曲          1.25
轴向    扭转          0.725
弯曲    扭转          0.58
弯曲    轴向          0.8
扭转    轴向          1.38
扭转    弯曲          1.72
* 缺口影响，Cnotch
* 表面光洁度的影响，Csur，见图，横坐标为Ra值
* 表面处理方式的影响，Csur
　处理方法对持久极限的提高程度
处理方法    喷丸    冷作    氮化
　抛光          +15%    +50%    +100%
磨          +20%    +0%    +100%
机加工    +30%    +70%    +100%
热轧          +40%    +0%    +100%
铸          +40%    +0%    +100%
锻          +100%    +0%    +100%
综合上面所有影响得到疲劳强度削减系数Kf
Kf=1/(CnotchCsizeCloadCsur……)
[attachment=182]

中华秀剑 · 发表于 2006-10-7 20:17:47

现在我们用MECHANICA的疲劳分析模块来对一车轮轴进行分析。
如图所示的车轮轴，假设为光轴，轴径50mm,钢制成，抗拉强度极限500Mpa，表面光洁度Ra=6.4,氮化处理。全长1250，轴承宽度25，轴荷10KN，假设车轮直径1m。设计寿命是50000km。
50000km轮子转动圈数为50000000/3.14/1=1.6e7

中华秀剑 · 发表于 2006-10-7 20:18:21

在材料定义中要设置材料的疲劳数据项，如图
其中疲劳强度削减系数（fatigue strength reduction factor）Kf的求法：
Csize=1.189*50^(-0.097)=0.684
Cload=1.25
1Mpa=145psi->500Mpa=72.5Kpsi查表得Csur=0.96
因为材料定义中已经考虑了氮化处理，所以此处就不计入了
所以Kf=1/(0.684*1.25*0.96)=1.22
现运行一个静态分析，略。
静态分析结果max_stress_vm: 2.706040e+02静载下不会破坏

[attachment=186]

中华秀剑 · 发表于 2006-10-7 20:18:35

定义一个疲劳分析
这里载荷类型使用定振幅（constant）的peak-peak(对称循环)
定振幅中还有脉动循环zero-peak,用户定义循环user-defined
另一个振幅类型是变振幅（variable amplitude）,可插入一个循环内的多个振幅值。
运行分析 [attachment=187]

中华秀剑 · 发表于 2006-10-7 20:18:46

在疲劳分析结果窗口有四个选项：
1） log life对数表示的估计寿命
轴上最小为4.6（1e4.6）<1.6e7,最大20(1e20),所以存在疲劳强度不足的部位
[attachment=188]

中华秀剑 · 发表于 2006-10-7 20:19:03

2） log damage
累计疲劳循环次数与直至破坏时总的循环次数的比值。

中华秀剑 · 发表于 2006-10-7 20:19:18

3） factor of safety
不改变期望循环次数时允许的载荷安全增大系数
此时最小0.6317，最大1634，说明现有载荷乘以0.6317时才能保证最弱部位达到1.6e7的设计要求

[attachment=189]

中华秀剑 · 发表于 2006-10-7 20:19:33

4） confidence of life
计算寿命和设计寿命的比值。小于1表示破坏，大于3表示有足够能力保证预期寿命。
[attachment=190]

飞龙 · 发表于 2006-10-8 08:13:31

感谢秀剑提供这方面的资料,+5

chris0912 · 发表于 2006-10-9 01:56:33

...看不到圖解..
不過還是要感謝美雅版主的解說

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[运动仿真] mechanica疲劳分析的简单应用

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