基于ADINA應(yīng)力計(jì)算的疲勞分析計(jì)算流程

2024/1/301

基于ADINA應(yīng)力計(jì)算的疲勞計(jì)算分析流程

費(fèi)根勝ADINA武漢代表處2012-02-20疲勞計(jì)算流程強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命是對(duì)工程機(jī)械零部件的三個(gè)基本要求，其中疲勞破壞是機(jī)械零部件破壞的主要形式之一。根據(jù)外載荷的大小，可以將其分為高周疲勞和低周疲勞。無(wú)論是高周疲勞還是低周疲勞，其計(jì)算流程基本是一樣的，只是一個(gè)是采用S-N曲線進(jìn)行零部件壽命估計(jì)，一個(gè)是采用ε-N曲線對(duì)零部件進(jìn)行壽命估計(jì)。疲勞計(jì)算過(guò)程中主要包括下面三個(gè)方面：1.零件載荷譜的確定；2.零件材料參數(shù)的確定；3.疲勞計(jì)算參數(shù)的確定。下面主要講解一下利用ADINA進(jìn)行疲勞計(jì)算的流程。1.通過(guò)有限元軟件進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算

在進(jìn)行零部件有限元計(jì)算之前，需要確定載荷譜的類型：對(duì)于橫幅周期載荷，不需要對(duì)載荷進(jìn)行處理，直接使用載荷進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，然后計(jì)算疲勞壽命。對(duì)于變幅載荷，首先處理成多級(jí)恒福載荷，然后對(duì)每級(jí)載荷中的最大載荷值進(jìn)行多工況應(yīng)力計(jì)算分析，最后應(yīng)用miner累計(jì)損傷理論計(jì)算疲勞壽命。對(duì)于隨機(jī)載荷，首先利用雨流計(jì)數(shù)法將隨機(jī)載荷處理成變幅載荷，然后按照變幅載荷的方法計(jì)算疲勞壽命。載荷譜確定后，可以按照載荷譜中最大載荷值進(jìn)行有限元靜力計(jì)算，這樣就可以獲得零部件的應(yīng)力分布(靜力方法中載荷隨時(shí)間的變化規(guī)律是在疲勞軟件當(dāng)中體現(xiàn)的)。當(dāng)然也可以按照載荷隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行動(dòng)力瞬態(tài)計(jì)算，然后將獲得的計(jì)算結(jié)果像靜力計(jì)算方法一樣導(dǎo)入疲勞軟件當(dāng)中進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。由于動(dòng)力計(jì)算比靜力計(jì)算要耗費(fèi)時(shí)間，一般情況下都是根據(jù)零部件的靜力計(jì)算結(jié)果計(jì)算疲勞壽命。在計(jì)算之前可以通過(guò)參數(shù)設(shè)置，輸出OP2格式的計(jì)算結(jié)果。如圖1所示。

圖1ADINA輸出OP2格式計(jì)算結(jié)果ADINA輸出的OP2的文件不包括網(wǎng)格模型，只有計(jì)算結(jié)果，因此在將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入疲勞軟件之前，還需要在ADINA軟件當(dāng)中將網(wǎng)格模型以NAS格式的文件導(dǎo)出，如圖2所示。我是用fatigue軟件進(jìn)行疲勞分析，通過(guò)修改文件名把NAS格式文件改成BDF格式文件，然后導(dǎo)入到fatigue軟件中，隨后再將OP2計(jì)算結(jié)果文件導(dǎo)入到fatigue軟件，如圖3、圖4和圖5所示。至此已經(jīng)把ADINA的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果完全導(dǎo)入到疲勞軟件當(dāng)中。

圖2將ADINA網(wǎng)格模型以NAS格式導(dǎo)出圖3導(dǎo)入網(wǎng)格模型文件圖4導(dǎo)入計(jì)算結(jié)果文件圖5導(dǎo)入到疲勞軟件當(dāng)中的計(jì)算結(jié)果2.疲勞軟件當(dāng)中定義載荷譜

將ADINA的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入疲勞軟件之后，在疲勞軟件當(dāng)中定義載荷譜，也就是載荷隨時(shí)間的變化規(guī)律。另外需要特別注意的是定義載荷譜窗口當(dāng)中l(wèi)oadmagnitude與載荷譜幅值以及有限元分析時(shí)施加載荷值三者之間的關(guān)系。如圖6和圖7所示。如果有限元分析時(shí)施加了載荷譜當(dāng)中的最大載荷值，而疲勞軟件定義載荷譜是比例載荷值，那么loadmagnitude就是1。進(jìn)行疲勞計(jì)算一般也是這樣設(shè)置參數(shù)的。為了更好的說(shuō)明三者之間的關(guān)系，舉例如下：假如零部件受到的最大載荷為50KN，最小載荷為-20KN，那么在有限元靜力計(jì)算時(shí)，可以施加50KN的載荷進(jìn)行靜力計(jì)算。在疲勞軟件當(dāng)中定義載荷譜施加比例載荷，因此定義為0,1,-0.4,0。而loadmagnitude的值為1。如果在進(jìn)行有限元分析時(shí)，施加的載荷是-20KN，那么在疲勞軟件當(dāng)中這樣定義載荷譜，0,2.5,-1,0，此種情況loadmagnitude的值也是1。如果有限元分析施加載荷為50KN，疲勞軟件當(dāng)中的載荷譜為0,50,-25,0，那么loadmagnitude的值應(yīng)為50。

圖6載荷窗口中l(wèi)oadmagnitude圖7疲勞軟件當(dāng)中定義的載荷譜3.疲勞軟件當(dāng)中定義材料疲勞參數(shù)

對(duì)于高周疲勞，材料參數(shù)主要是S-N曲線。如果有條件做實(shí)驗(yàn)，最好是通過(guò)做實(shí)驗(yàn)獲得材料的S-N曲線，因?yàn)槠趬勖Y(jié)果本身就有較大的離散性(因?yàn)槠趬勖挠绊懸蛩胤浅６啵承┮蛩睾茈y確定準(zhǔn)確值)，通過(guò)做實(shí)驗(yàn)獲得材料的S-N曲線能夠較準(zhǔn)確的描述材料的疲勞性能。如果沒(méi)有條件做試驗(yàn)，可以通過(guò)查手冊(cè)獲得材料的疲勞性能。目前常用的手冊(cè)是《機(jī)械工程材料性能手冊(cè)》，另外還有北京航空研究院出版的《金屬疲勞性能手冊(cè)》。最后，如果結(jié)構(gòu)零部件的材料的疲勞性能在手冊(cè)上無(wú)法查到，那么只能通過(guò)材料的靜強(qiáng)度性能來(lái)近似估算材料的S-N曲線。疲勞軟件定義材料窗口如圖8所示。

圖8定義材料窗口在定義材料窗口當(dāng)中，有個(gè)參數(shù)region。對(duì)于裝配件的疲勞分析，可能包含很多零件，而每個(gè)零件的材料又不一樣，所以就需要定義多個(gè)材料的S-N曲線，那么就要通過(guò)region這個(gè)參數(shù)來(lái)對(duì)不同的材料S-N曲線賦予給相應(yīng)的材料。在疲勞軟件當(dāng)中首先通過(guò)“組”的功能為不同的材料定義不同的組，在定義疲勞材料窗口當(dāng)中，通過(guò)選擇不同組實(shí)現(xiàn)多種材料裝配件的疲勞分析。另外在材料窗口中有一個(gè)參數(shù)Kf，這個(gè)參數(shù)為疲勞缺口系數(shù)，因?yàn)閼?yīng)力集中對(duì)應(yīng)力的“貢獻(xiàn)”可以通過(guò)有限元的計(jì)算考慮進(jìn)去，但是應(yīng)力集中對(duì)應(yīng)力的提高和對(duì)疲勞強(qiáng)度的降低作用是不同的，就是通過(guò)Kf這個(gè)參數(shù)來(lái)考慮應(yīng)力集中對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。一般情況下保守一點(diǎn)的計(jì)算都是將Kf設(shè)定為1。

3.定義疲勞計(jì)算參數(shù)

疲勞計(jì)算參數(shù)設(shè)定窗口如圖9和圖10所示，對(duì)于高周疲勞就是以S-N曲線為基本參數(shù)進(jìn)行疲勞分析，也就是應(yīng)力---壽命法。另外對(duì)于平均應(yīng)力的處理，可以采用goodman方法或者gerber方法進(jìn)行修正，或者不進(jìn)行修正。對(duì)于平均壓應(yīng)力一般是不修正的，因?yàn)閴簯?yīng)力會(huì)提高機(jī)械疲勞壽命。對(duì)于應(yīng)力組合方法，可以采用最大主應(yīng)力法或者等效應(yīng)力法，對(duì)于脆性材料(