联合ANSYS Workbench和nCode DesignLife进行疲劳分析

疲劳失效是机械零部件失效的主要形式。如何对这些结构进行有效的疲劳分析,引起了很多产品设计工程师的关注。对于一般零部件的疲劳分析,并没有理论公式可以解决,几乎都是依据有限元技术以及疲劳分析技术。因此联合有限元分析软件和疲劳分析软件,对这些零部件进行疲劳分析,是解决这类问题的有效途径。

ANSYS Workbench是世界上著名的以多物理场分析为特色的有限元分析软件,而DesignLife是ANSYS nCode下功能强大的疲劳分析软件。本文以材料力学中中一根变截面轴的弯扭组合的疲劳分析为例,说明如何联合这两款软件对之进行疲劳分析。

问题描述如下:

一根变截面轴,左边轴段(蓝色部分)固定,而在最右边轴段上(红色部分)施加一个1N的集中力(它导致弯曲变形)和一个1000Nmm的集中力偶(它导致扭转变形)

对于这两种载荷的时间历程,使用力传感器进行测定94秒,得到如下图所示的时间历程曲线。

上图中的红色曲线图反应了集中力随时间的变化规律,横坐标是时间,单位是秒,这里测试了94秒。而纵坐标是载荷的大小。从图中可以看出,最大的载荷是18KN左右,而且也可以看到,载荷的变化很不规则,并非理想的循环方式。而蓝色曲线反应的是集中力偶随时间变化的规律,其幅值在-2717到2834之间改变。

该轴的材料已经给定,是碳钢SAE1045_390_QT.

现在要求对该轴进行疲劳分析。

使用Workbench和DesignLife对之进行疲劳分析,分为两步。第一步是在Workbench中建立有限元模型,并分别施加集中力和集中力偶,通过计算,得到两种情况的米塞斯应力,这相当于两种工况,这样可以得到ANSYS Workbench的结构分析结果文件*.rst.第二步在DesignLife中进行,首先根据疲劳分析的五框图,构造疲劳分析流程,然后分别设定各个框图的属性,即有限元结果文件,载荷文件,材料文件,疲劳分析选项,然后启动分析,通过后处理以查看轴上各点的疲劳寿命。

1. Workbench中建立有限元模型并进行分析

(1)使用Designmodeler创建几何模型

(2)设置材料属性

(3)划分网格

(4)设置分析选项

这里设置两个载荷步,其目的只是分开弯曲和扭转这两种工况。

(5)设置固定边界条件

(6)施加集中力和集中力偶

第一个载荷步施加集中力,而第二个载荷步施加集中力偶。

(7)分析

(8)得到两种情况的米塞斯应力。

左边的云图取自第一个载荷步,它是弯曲产生的应力云图。

右边的云图来自第二个载荷步,它是扭转产生的应力云图。

计算完毕后,保存结果,退出ANSYS Workbench

2. DesignLife中的疲劳分析

(1)绘制疲劳分析流程图

打开DesignLife,创建分析流程图如下。

该流程图中,左边时输入(左上是有限元结果输入,左下是载荷的时间历程曲线输入),中间是疲劳分析模块(这里是应变寿命疲劳分析),右边是输出(右上是有限元分析结果显示,右下是列表输出危险点的情况)。

(2)关联有限元分析结果文件

把可以用的数据中的有限元分析结果拖入到有限元输入框,建立关联。

(3)关联载荷文件

把可以用的数据中的载荷时间历程文件拖入到时间序列输入框,建立关联。

(4)进行材料映射

(5)进行载荷映射

把第一种载荷工况(弯曲工况)与第一个时间序列建立关联。它表明了该集中力在按照此载荷时间历程发生改变。

同理,把第二种载荷工况(弯曲工况)与第二个时间序列建立关联。它表明了该集中力在按照此载荷时间历程发生改变。

(6)设置分析选项

设置应力单位为Pa。

(7)进行分析

(8)后处理

从该有限元图上可以看出,在固定端处的点最危险,这里给出了各个点损坏的应力云图。