搜索疲劳仿真助力延长产品寿命，降低成本和风险
2016-11-07 by:CAE仿真在线 来源:互联网
疲劳失效是一种隐患。您的产品可能也存在疲劳失效问题,但是您还不知道。循环加载所导致的零件表面变化只有在显微镜下才能看到。经过长期反复的压缩和拉伸之后,零件会出现明显的裂纹,然后迅速失效。
疲劳是指在低于零件材料屈服强度的应力作用下,零件被反复加载和卸载后发生的失效现象。简单的张力测试只能识别由超出屈服强度的负载所导致的失效;如果不做物理测试(如振动测试),那么得出的部件耐久性结果就是不可靠的。但物理测试很耗时,很昂贵,而且对于大型产品或复杂产品而言,物理测试是不切实际的或无法实施的。产品是否会失效取决于产品形状、表面质量、所用的材料以及产品的使用强度。
自工业革命起,人们就已经认识到了反复应力会导致部件失效,但“疲劳”一词直到19世纪中叶才被创造出来。在20世纪的大多数时间里,工程师们都是通过手工或试算表来进行疲劳计算,因此很难完全理解结构因疲劳而失效的这个过程。我们通常用半对数图来描绘大量加载循环(104至108次)的测试结果,Y轴是应力,X轴代表使用寿命,并以对数刻度为单位。此图也被称作S-N曲线或Wohler图。这些图表是材料模型的基础,用于确定何时会发生材料失效。
现在,设计团队通过结合两种计算方法,能够以合理的准确度,针对预定负载计算出失效发生时间。利用有限元法可以仿真产品对加载的响应情况,并确定相应的最大应力和张力,并把这些结果与一个或多个加载历史结合起来。加载历史可通过加载和卸载数学函数来预测,或根据收集到的测试数据来预测,例如一辆配备有若干应变仪和加速计的测试轿车所得出的数据。利用实验所得的材料数据(S-N曲线)并将这些数据存储到材料库中,我们就能很容易地确定零件在加载多少次后会因为疲劳而发生失效。这就是我们所说的产品寿命。
如果把同类最佳的结构仿真工具ANSYS Mechanical和领先的耐久性软件ANSYS nCode DesignLife(工作在集成式ANSYS Workbench环境中)结合起来,就能形成独特且强大的疲劳预测流程。Workbench利用参数对不同设计选项和设计探索进行评估,从而实现最优设计。该疲劳流程能自动执行产品寿命评估步骤,误差小于人工计算方法。在Workbench项目内部,专家还可以定义工作流程,使未获得充分培训的设计师能够反复运用该工作流程,以弥补他们在疲劳专业知识方面的不足。设计完成后将流程保存起来,如果以后需还可以再次运用该流程。
疲劳仿真使产品设计师在评估各项权衡因素(例如使用不同的几何结构和材料)时能做出明智的决定,从而实现预期的产品寿命。避免产品失效所使用的传统手段是保守设计法。但在目前的经济形势下,设计人员面临的压力在于需要在提高性能的同时,降低制造成本,提高效率,降低产品失效所带来的风险。而通过仿真来优化产品性能,则能实现出色的竞争优势。仿真技术将会很快成为企业生存的必备工具。
仿真不但有助于评估多个设计方案,还能使人们深入了解产品寿命周期内产品内部发生的物理现象。在人们试图了解疲劳失效时,测试法只能提供“是”或“否”这两个结果。在产品未失效的情况下,测试法无法表明产品距离失效有多近,也无法表明增加少量额外负载导致失效的可能性有多大。如果产品在测试期间确实失效了,测试法也无法确定负载明显减少或负载较高但载荷循环缩短的情况下失效还会不会发生。
航空航天业是最早采用疲劳仿真的行业,这是因为飞行器会经受由机身振动和增压导致的高循环加载。喷气发动机和起落架也会承受反复的负载。该行业的关键要素是减轻重量,因为过于保守(机身因此过于沉重)的设计会导致高昂的运行成本。在汽车业,制造商们面临的压力在于需要减轻车身重量并提高燃油效率。在能源领域,人们对环境的担忧促使该行业安装了大量风力发电机,这类设备在旋转过程中会承受反复的循环加载。疲劳仿真可以帮助各类机构排忧解难。
对于多数企业而言,疲劳失效可能会产生极其严重的后果,会造成巨大的资金损失,包括法定责任、维护、重新设计和保修费用以及品牌受损所造成的损失。借助现代仿真技术,产品开发人员现在可以显著降低产品失效几率,从而开发出竞争力更强、利润率更高、更加耐用的产品。
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