搜索抗疲勞設計連載(一)
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 設計人員使用SN方法計算疲勞壽命 結論 附錄A—裂紋增長 附錄B—雨流法計數
作者: COSMOS 來源: COSMOS
關鍵字: 有限元分析 安世亞太 抗疲勞設計 SN FEA
簡介
1954年,世界上第一款商業客機deHavillandComet接連發生了兩起墜毀事故,這使得“金屬疲勞”一詞出現在新聞頭條中,引起公眾持久的關注。這種飛機也是第一批使用增壓艙的飛行器,采用的是方形窗口。增壓效應和循環飛行載荷的聯合作用導致窗角出現裂紋,隨著時間的推移,這些裂紋逐漸變寬,最后導致機艙解體。Comet空難奪去了68人的生命,這場悲劇無時無刻不在提醒著工程師創建安全、堅固的設計。
自此以后,人們發現疲勞是許多機械零部件(例如在高強度周期性循環載荷下運行的渦輪機和其他旋轉設備)失效的罪魁禍首。
事實證明,有限元分析(FEA)是用于了解、預測和避免疲勞的首要工具。
什么是疲勞?
設計人員通常認為最重要的安全因素是零部件、裝配體或產品的總體強度。為使設計達到總體強度,工程師需要使設計能夠承載可能出現的極限載荷,并在此基礎上再加上一個安全系數,以確保安全。但是,在運行過程中,設計幾乎不可能只承載靜態載荷。在絕大多數的情況下,設計所承載的載荷呈周期性變化,反復作用,隨著時間的推移,設計就會出現疲勞。
實際上,疲勞的定義為:“由單次作用不足以導致失效的載荷的循環或變化所引起的失效”。疲勞的征兆是局部區域的塑性變形所導致的裂紋。此類變形通常發生在零部件表面的應力集中部位,或者表面上或表面下業已存在但難以被檢測到的缺陷部位。盡管我們很難甚至不可能在FEA中對此類缺陷進行建模,但材料中的變化永遠都存在,很可能會有一些小缺陷。FEA可以預測應力集中區域,并可以幫助設計工程師預測他們的設計在疲勞開始之前能持續工作多長時間。
疲勞的機制可以分成三個相互關聯的過程:
1.裂紋產生
2.裂紋延伸
3.斷裂
FEA應力分析可以預測裂紋的產生。許多其他技術,包括動態非線性有限元分析可以研究與裂紋的延伸相關的應變問題。由于設計工程師最希望從一開始就防止疲勞裂紋的出現,本白皮書主要從該角度對疲勞進行闡述。關于疲勞裂紋增長的討論,請參閱附錄A。
確定材料的疲勞強度
裂紋開始出現的時間以及裂紋增長到足以導致零部件失效的時間由下面兩個主要因素決定:零部件的材料和應力場。材料疲勞測試方法可以追溯到19世紀,由AugustW?hler第一次系統地提出并進行了疲勞研究。標準實驗室測試采用周期性載荷,例如旋轉彎曲、懸臂彎曲、軸向推拉以及扭轉循環?？茖W家和工程師將通過此類測試獲得的數據繪制到圖表上,得出每類應力與導致失效的周期重復次數之間的關系,或稱S-N曲線。工程師可以從S-N曲線中得出在特定周期數下材料可以承受的應力水平。
該曲線分為高周疲勞和低周疲勞兩個部分。一般來說,低周疲勞發生在10,000個周期之內。曲線的形狀取決于所測試材料的類型。某些材料,例如低碳鋼,在特定應力水平(稱為耐疲勞度或疲勞極限)下的曲線比較平緩。不含鐵的材料沒有耐疲勞度極限。
大體來說,只要在設計中注意應用應力不超過已知的耐疲勞度極限,零部件一般不會在工作中出現失效。但是,耐疲勞度極限的計算不能解決可能導致局部應力集中的問題,即應力水平看起來在正常的“安全”極限以內,但仍可能導致裂紋的問題。
S-N(應力與周期)曲線示例
與通過旋轉彎曲測試確定的結果相同,疲勞載荷歷史可以提供關于平均應力和交替應力的信息。測試顯示,裂紋延伸的速度與載荷周期和載荷平均應力的應力比率有關。裂紋僅在張力載荷下才會延伸。因此,即使載荷周期在裂紋區域產生壓縮應力,也不會導致更大的損壞。但是,如果平均應力顯示整個應力周期都是張力,則整個周期都會導致損壞。
許多工況載荷歷史中都會有非零的平均應力。人們發明了三種平均應力修正方法,可以省去必須在不同平均應力下進行疲勞測試的麻煩:
圖 平均修正方法
這三種方法都只能應用于所有相關聯的S-N曲線都基于完全反轉載荷的情況。而且,只有所應用疲勞載荷周期的平均應力與應力范圍相比很大時,修正才有意義。上圖顯示了交替應力、材料應力極限和載荷平均應力之間的關系,該圖稱為Goodman圖表。
實驗數據顯示,失效判據位于Goodman曲線和Gerber曲線之間。這樣,就需要一種實用的方法基于這兩種方法并使用最保守的結果來計算失效。
疲勞壽命的計算方法
對每個設計進行物理測試明顯是不現實的。在多數應用中,疲勞安全壽命設計需要預測零部件的疲勞壽命,從而確定預測的工況載荷和材料。
計算機輔助工程(CAE)程序使用三種主要方法確定總體疲勞壽命。這些方法是:
·應力壽命方法(SN)
這種方法僅基于應力水平,只使用W?hler方法。盡管不適用于包含塑性部位的零部件,低周疲勞的精確度也乏善可陳,但這種方法最容易實施,有豐富的數據可供使用,并且在高周疲勞中有良好的效果。
·應變壽命(EN)
這種方法可以對局部區域的塑性變形進行更詳細的分析,非常適合低周疲勞應用。但是,結果存在一些不確定性。
·線性彈性破壞力學(LEFM)
這種方法假設裂縫已經存在并且被檢測到,然后根據應力強度預測裂縫的增長。借助計算機代碼和定期檢查,這種方法對大型結構很實用。
由于易于實施并且有大量的材料數據可用,SN是最常用的方法。
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