疲勞失效是機械零部件失效的主要形式。如何對這些結構進行有效的疲勞分析,引起了很多產品設計工程師的關注。對于一般零部件的疲勞分析,并沒有理論公式可以解決,幾乎都是依據有限元技術以及疲勞分析技術。因此聯合有限元分析軟件和疲勞分析軟件,對這些零部件進行疲勞分析,是解決這類問題的有效途徑。

ANSYS Workbench是世界上著名的以多物理場分析為特色的有限元分析軟件,而DesignLife是ANSYS nCode下功能強大的疲勞分析軟件。本文以材料力學中中一根變截面軸的彎扭組合的疲勞分析為例,說明如何聯合這兩款軟件對之進行疲勞分析。

問題描述如下:

一根變截面軸,左邊軸段(藍色部分)固定,而在最右邊軸段上(紅色部分)施加一個1N的集中力(它導致彎曲變形)和一個1000Nmm的集中力偶(它導致扭轉變形)

對于這兩種載荷的時間歷程,使用力傳感器進行測定94秒,得到如下圖所示的時間歷程曲線。

上圖中的紅色曲線圖反應了集中力隨時間的變化規律,橫坐標是時間,單位是秒,這里測試了94秒。而縱坐標是載荷的大小。從圖中可以看出,最大的載荷是18KN左右,而且也可以看到,載荷的變化很不規則,并非理想的循環方式。而藍色曲線反應的是集中力偶隨時間變化的規律,其幅值在-2717到2834之間改變。

該軸的材料已經給定,是碳鋼SAE1045_390_QT.

現在要求對該軸進行疲勞分析。

使用Workbench和DesignLife對之進行疲勞分析,分為兩步。第一步是在Workbench中建立有限元模型,并分別施加集中力和集中力偶,通過計算,得到兩種情況的米塞斯應力,這相當于兩種工況,這樣可以得到ANSYS Workbench的結構分析結果文件*.rst.第二步在DesignLife中進行,首先根據疲勞分析的五框圖,構造疲勞分析流程,然后分別設定各個框圖的屬性,即有限元結果文件,載荷文件,材料文件,疲勞分析選項,然后啟動分析,通過后處理以查看軸上各點的疲勞壽命。

1. Workbench中建立有限元模型并進行分析

(1)使用Designmodeler創建幾何模型

(2)設置材料屬性

(3)劃分網格

(4)設置分析選項

這里設置兩個載荷步,其目的只是分開彎曲和扭轉這兩種工況。

(5)設置固定邊界條件

(6)施加集中力和集中力偶

第一個載荷步施加集中力,而第二個載荷步施加集中力偶。

(7)分析

(8)得到兩種情況的米塞斯應力。

左邊的云圖取自第一個載荷步,它是彎曲產生的應力云圖。

右邊的云圖來自第二個載荷步,它是扭轉產生的應力云圖。

計算完畢后,保存結果,退出ANSYS Workbench

2. DesignLife中的疲勞分析

(1)繪制疲勞分析流程圖

打開DesignLife,創建分析流程圖如下。

該流程圖中,左邊時輸入(左上是有限元結果輸入,左下是載荷的時間歷程曲線輸入),中間是疲勞分析模塊(這里是應變壽命疲勞分析),右邊是輸出(右上是有限元分析結果顯示,右下是列表輸出危險點的情況)。

(2)關聯有限元分析結果文件

把可以用的數據中的有限元分析結果拖入到有限元輸入框,建立關聯。

(3)關聯載荷文件

把可以用的數據中的載荷時間歷程文件拖入到時間序列輸入框,建立關聯。

(4)進行材料映射

(5)進行載荷映射

把第一種載荷工況(彎曲工況)與第一個時間序列建立關聯。它表明了該集中力在按照此載荷時間歷程發生改變。

同理,把第二種載荷工況(彎曲工況)與第二個時間序列建立關聯。它表明了該集中力在按照此載荷時間歷程發生改變。

(6)設置分析選項

設置應力單位為Pa。

(7)進行分析

(8)后處理

從該有限元圖上可以看出,在固定端處的點最危險,這里給出了各個點損壞的應力云圖。