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mechanica疲劳分析的简单应用


mechanica 疲劳分析的简单应用

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最近在学习 MECHANICA 的疲劳分析模块,有点心得,发上来给大家参考一下 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……)

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

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

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

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

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。 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

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。


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