搜索CAE在冰箱助吸器疲劳寿命设计中的应用
2013-06-17 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
国内外统计资料表明,机械构件失效破坏的85%以上为疲劳破坏,如轴、连杆、齿轮、弹簧、螺栓、压力容器、海洋平台、汽轮机叶片和焊接结构等,很多机械零部件和结构件的破坏方式都是疲劳,疲劳破坏成为机械产品的一种主要失效形式。由此可见,研究结构的疲劳寿命是目前面临的一个重要课题。
现在美英等一些发达国家,对于承受循环载荷的机械,除了要进行传统的静强度计算之外,都还要进行疲劳强度校核,而且后者经常是产品设计规范中更主要的内容。我国在机械结构的疲劳寿命研究方面起步较晚,在航空、航天、造船等尖端领域该技术得到了较好的应用,而在一般机械行业,如家用电器行业,对结构的设计基本处于静强度设计阶段,只是在轴和曲轴等少数零件中使用过抗疲劳设计。这些结构尤其是新结构在设计时都进行’了静强度分析,是满足静强度要求的。而从结构的失效形式分析则属于典型的疲劳失效,可能设计当时还不具备疲劳分析的条件或能力。可以看出,没有对结构进行疲劳强度校核造成的损失是巨大的。
在产品设计阶段进行疲劳寿命分析,能真实地预测产品的寿命,极大地降低生产原型机和进行疲劳寿命测试所带来的巨额开销。经过近二十年的发展,计算机耐久性仿真技术已相当成熟,最具代表性的主导仿真软件如MSC.Fatigue软件,可进行初始裂纹分析、裂纹增长分析、焊接寿命分析、全寿命分析,多轴疲劳计算、整体及局部寿命分析、疲劳优化等,如通过MSC.Fatigue将可以仿真压缩机由于加载所带来的裂纹缺陷的扩展情况和工作寿命,并已被国外各大家电及发动机企业采用。本文成功应用到冰箱助吸器疲劳寿命开发设计。MSC.Fatigue已经使世界众多的知名公司和企业从中获得巨大的经济效益。通过对产品早期分析可以缩短产品推向市场的时间,提高产品的可靠性,增强客户对产品性能的信心,同时也减少了厂商由于未成熟产品的失败而造成开发合同的终止或其它难以预计的后果。
疲劳问题的传统解决方法有使用更高的安全系数保守设计部件,结果是增加了重量和费用,依赖于繁重的物理疲劳试验,预测疲劳情况和寿命期望,这将导致费用增加和推向市场的时间加长,同时也限制了能进行试验工况数量和操作环境。
由于家电产品要在各种复杂的载荷环境工作,因而需要对零件和整机的寿命进行分析,为保证产品具有最佳的经济成本,还需要进行寿命等设计。冰箱助吸器在冰箱的作用是当冰箱门关闭时能使门有效的关紧,有效解决了由于门封条磁铁的吸力不足而产生的漏冷严重的问题。由于其结构小,重要程度容易被开发者忽视。在开发设计中。开发人员一般凭借经验或参考以前的产品对助吸器进行设计,没有进行详细的强度、疲劳寿命设计,因此在使用或冰箱开关实验中经常发现了冰箱助吸器的断裂,使得门无法关紧,气流直接通过空气流向箱外,影响了冰箱的外观,损失大量的热量。因此对冰箱助吸器进行结构疲劳寿命设计是很有必要的。
本文利用MSC.MARC和MSC.Fatigue软件,首先对助吸器进行应力分析,经过应力分析优化助吸器的结构,再利用MSC对应力分析的结果进行疲劳寿命分析。通过有限元分析开发设计出新的冰箱助吸器结构和优化原有的冰箱助吸器结构。通过本文的分析可以有效代替了冰箱门开关试验的次数,节省试验和开发费用。本文也为家电其他部件的强度、疲劳寿命分析提供了一种有效的方法。
2 疲劳理论
疲劳寿命分析主要包括三个基本的寿命一预测方法:名义应力一寿命,局部应力和缺陷误差。本文采用名义应力一寿命的分析方法。该分析方法一般假设构件无缺陷。在无缺陷零件中,裂纹通常从自由表面开始,特别是从角和边等应力集中处。在一个固体模型零件中,自由节点处的应力和应变是最为重要的。
分析的理论基础是Miner的线性疲劳累积损伤理论;
构件在应力水平Si作用下,经受ni次循环的损伤为Di=ni/Ni.若在k个Si应力水平作用下,各经受ni次循环,则可定义其总损伤为:
其中,ni是在Si作用下的循环次数,由载荷谱给出;Ni是在si作用下循环到破坏的寿命,由全寿命疲劳S—N曲线确定。
任何零件的疲劳寿命评估包括三个步骤定义材料疲劳特性、定义疲劳载荷谱、分析求解后处理。最重要和最困难的是定义零件的载荷环境,其次,是建立载荷-应变曲线和建立应力—寿命关系曲线。
恒幅载荷作用下的疲劳寿命估算,可直接利用S一N曲线,交幅载荷谱下的寿命预测,借助于Miner理论可以解决。随机载荷谱则需要等效转换为交幅或恒幅载荷谱。对有限元模型上的一组载荷和约束的仿真将会估计出零件的服务环境。通过雨流计数法对典型载荷谱段进行统计分析,编制相应的变幅载荷块谱。MSC.Fatigue提供一种方便的时间-历程数据处理方式,很容易定义出需要的载荷时间历程,然后使用外部资源综合处理或获取,例如数据获取仪器。
3 分析软件介绍及计算流程
3.1 MSC.MARC软件介绍
MSC.MARC是功能齐全的高级非线性有限元软件,具有极强的结构分析能力。应用它可以处理各种线性和非线性结构分析包括;线性/非线性静力分析、模态分析、简谐响应分析、频谱分析、随机振动分析、动力响应分析、自动的静/动力接触、屈曲/失稳、失效和破坏分析等。MSC.MARC包括如下模块:MSC.MARC/MENTAT是高级非线性有限元分析模块,MENTAT是MARC的前后处理图形对话界面。两者严密整合的MSC.MARC/MENTAT成为解决复杂工程问题,完成学术研究的高级通用有限元软件。MENTAT是新一代非线性有限元分析的前后处理图形交互界面,与MARC求解器无缝连接。MSC.Marc是功能齐全的高级非线性有限元软件的求解器,体现了30年来有限元分析的理论方法和软件实践的完美结合。它具有极强的结构分析能力,可以处理各种线性和非线性结构分析包括:线性/非线性静力分析、模态分析、简谐响应分析、频谱分析、随机振动分析、动力响应分析、自动的静/动力接触、屈曲/失稳、失效和破坏分析等。本文利用它来实现对助吸器开关门试验产生的应力状况进行模拟并初步优化结构,模拟的应力结果输入到MSC.Fatigue进行疲劳寿命模拟。
3.2 MSC.Fatigue软件介绍
MSC.Fatigue是MSC与MSC在疲劳和耐久性分析领域的合作伙伴nCod合作开发的。MSC.Fatigue可以帮助用户快速而准确地预测产品在任何与时间相关和频率相关的载荷工况作用下的寿命,并优化产品的重量和形状。通过识别需要时间处理的部件的薄弱环节,加速创新。
利用MSC.Fatigue软件对机械部件进行疲劳寿命分析的优点是:
①所有的可能的载荷工况情况下,对产品进行虚拟试验,增加产品最终设计时的信心。
②使新设计快速走向市场,避免沉长的物理上”装与拆”的循环,而它需要数周或数月才能充分地达到正常的循环寿命时间。
MSC.Fatigue软件主要应用领域:
①承受低循环或随机振动载荷的飞行器。
②汽车悬架系统和刹车系统。
③非高速路行驶的车辆,具有相对粗糙的操作环境。
④发动机噪声,风力涡轮机和有随机振动的海洋钻井平台。
⑤家电行业等
3.5 疲劳寿命分析流程
近年来随着计算机软硬件的不断发展,有限元技术也得到了更广泛的应用,尤其是对于一些大型复杂结构,更显出其优势,在对结构进行静强度分析的基础上,利用其分析结果和先进的疲劳分析软件MSC.Fatigue提供的疲劳寿命分析功能,对一些机械设备的关键结构件进行疲劳强度分析。本文应用大型有限元软件MSC,MARC和MSC.Fatigue来计算助吸器的结构的应力和疲劳寿命。其核心采用的是线弹性断裂力学,计算流程图如图1所示。
4 应力分析
结构静力分析是疲劳分析的基础,疲劳寿命分析可以认为是对结构静力分析的后处理,本文首先利用MSC.MARC对冰箱助吸器进行结构静力分析,然后在静力分析基础上,利用MSC.Fatigu对结构的疲劳寿命进行分析计算。
4.1 建立分析成型
冰箱助吸器的三维模型如图2所示。助吸器通过自身和螺栓与门体固定在一起。
4.2 结构离散榄型
将物理模型导入MSC.MARC软件,使用MSC.MARC前后处理器MENTAT对三维物理模型进行结构自动离散化,生成四而体的有限元分析网格,共生成7269节点.30902单元,如图3。
4.3 载荷确定
冰箱在开关门试验或使用中,助吸器的主要载荷来自门铰对它的作用,这种载荷可认为周期性的载荷。经过测试和计算可以得到此开门。关门时门铰作用在助吸器的载荷大小和助吸器在业荷作用处的位移变化业。此数值可用于下面的有限元分析中。
经分析有以下两种工况:
工况1:开门时所受的载荷
工况2:关门时所受的载荷
4.5约束条件及载荷
如图4所示、在助吸器与门体固定的地方,其中一处使用螺拴与门体拧紧.见图4约束条件apply2.另一处自身一部分与门体固定联接,见图4约束条件applyl。因此这两处受到固定位移约束。
4.6材料属性
助吸器使用材料为ABS板,它的物理性能参数见表1。
4.7 计算结果
经过时助吸器在以上两种工况进行稳态应力分析后,在两种工况下最大应力值如表2。应力结果分别如图5、6所示,最大应力发生在拐角处。经过应力分析,可以初步优化助吸器的结构.再选取优化后的应力结果导入MSC.Fatigue软件进行疲劳寿命分析。这样可以避免了后序大位疲劳分析计算工作.有效简化计算流程,节省了大两工作量。
5 疲劳寿命分析
5.1确定分析对象及类型
在冰箱门开关试验中,冰箱助吸器在未达到设计年限或未满足试验次数就经常出现破坏,经过分析确定此破坏为疲劳断裂,为高周疲劳断裂。在静力分析的基础上,冰箱助吸器还必须进行疲劳寿命分析。取整个助吸器为疲劳分析的研究对象。选择分析类型:全寿命分析类型S-N。
5.2进行门开关疲劳分析
5.2.1导入MSCMARC应力分析的结果文件
启动MSC.Fatigue软件,导入MSC.MARC应力分析的结果见图7。使用主页面的RESULT命令观察等效应力,最大等效应力发生扣紧门铰部分的根部圆弧处、头部和螺栓与门体固定处,与图5相似。
选择分析类型:全寿命分析(S-N)
施加材料疲劳特性曲线(P-S-N):根据试验数据自定义;施加疲劳载荷历程:等幅循环载荷求解分析。
5.3结果分析
经过MSC.Farigue分析求解后,疲劳寿命结果如图8所示。从图8中可知.助吸器最危险部位的循环次数是10·606次,大于冰箱门开关设计次数,满足设计要求。
6 结论
在当今激烈的市场竞争环境中,各公司都在致力于改进产品质量、性能和寿命,以期缩短产品投放市场的时间,降低成本。利用计算机,通过工程分析软件可以快速有效地揭示各类参数的变化对产品性能的影响,从而达到降低成本的目的。已开展的应力预测仅仅是产品设计的一部分内容。现代产品设计则更迫切地需要通过工程分析手段预测产品的使用寿命,并使之成为产品设计的一部分。
本文应用MSC.MARC和MSC.Fatigue有限元软件对助吸器进行静强度和疲劳寿命分析,说明通过有限元分析优化产品结构,得到有效的疲劳寿命预测是可能的,但是为了产生必要的应力和应变结果,需要输人适当的载荷和边界条件。疲劳寿命计算对应力和应变数据的质量特别地敏感。适当的模型处理技术,单一元类型和网格精度是保证疲劳分析正确性的一个重要条件。有限元模型处理和应力分析被认为是疲劳寿命分析的重要前期活动。
在疲劳寿命有限元分析中,经过总结存在以下困难:
①疲劳载荷谱较难获取
机械零部件在工作中,往往不但要承受自身由于旋转的循环振动载荷,还要承受整机运行时的变幅振动载荷,由此合成的疲劳载荷谱非常复杂,很难统计转换。
②材料疲劳特性难以确定
由于在制造过程中存在难以克服的工艺分散性、材质不均匀等特点,同种材料的疲劳特性数据也存在很大差异,因此,疲劳分析所需的材料疲劳特性数据不一而定,具体某种材料的疲劳特性必须由具体疲劳试验确定。
③疲劳分析技术难度大
疲劳分析技术复杂,难度大,设计和分析人员都需要疲劳分析方面的技术经验积累,不断夯实基础,逐步提升疲劳分析的技术平台。
④疲劳试验设备必须齐全
针对某种具体的材料,疲劳特性曲线P-S-N必须通过疲劳试验获得,才能保证数据正确。要获得准确的疲劳载摘谱,必须具备相应的测试手段和试验设备,通过具体实验测试,获得相关参数,采取特定的数值分析方法对其进行合成,分析整理成载荷谱,转换为MSC.Fatigue软件可使用的曲线。要精确地确定疲劳强度与寿命,还得进行模拟样机疲劳试验,结合试验数据不断调整分析参数,提高分析能力。
为了更好利用有限元分析技术,充分发挥有限元技术的作用,可以采用相应的如下措施:
①必须加强专业理论知识学习。加强疲劳分析的理论基础研究,了解疲劳强度设计的基本理论和试验方法,掌握机械构件在各种载荷环境下的的疲劳破坏机理,迅速提高疲劳分析的技术理论水平。
②充分利用有限元疲劳分析软件公司的技术培训。通过培训学习,向分析工程师咨询请教,与分析同行交流学习,熟练掌握疲劳软件的分析流程,尽快提高疲劳分析的应用技巧(建模、分网、加载、求解及后处理技术),形成自己的分析方法。
③采取和专业的疲劳研究院所合作的方法。借助他们的实验设备,获得有关参数,不断地积累有关技术数据,建立我们自己的材料疲劳特性数据库和疲劳载荷谱图库。
④通过具体的工程分析项目与专家教授合作。在合作过程中,虚心学习,掌握建立疲劳载荷谱图库和材料疲劳特性数据库的方法,学习研究他们的分析方法,借助专家教授的分析经验,迅速提高我们的分析水平和解决实际工程问题的能力。
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