CAE在冰箱助吸器疲勞壽命設計中的應用

2013-06-17  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

國內外統計資料表明,機械構件失效破壞的85%以上為疲勞破壞,如軸、連桿、齒輪、彈簧、螺栓、壓力容器、海洋平臺、汽輪機葉片和焊接結構等,很多機械零部件和結構件的破壞方式都是疲勞,疲勞破壞成為機械產品的一種主要失效形式。由此可見,研究結構的疲勞壽命是目前面臨的一個重要課題。

現在美英等一些發達國家,對于承受循環載荷的機械,除了要進行傳統的靜強度計算之外,都還要進行疲勞強度校核,而且后者經常是產品設計規范中更主要的內容。我國在機械結構的疲勞壽命研究方面起步較晚,在航空、航天、造船等尖端領域該技術得到了較好的應用,而在一般機械行業,如家用電器行業,對結構的設計基本處于靜強度設計階段,只是在軸和曲軸等少數零件中使用過抗疲勞設計。這些結構尤其是新結構在設計時都進行’了靜強度分析,是滿足靜強度要求的。而從結構的失效形式分析則屬于典型的疲勞失效,可能設計當時還不具備疲勞分析的條件或能力。可以看出,沒有對結構進行疲勞強度校核造成的損失是巨大的。
   
在產品設計階段進行疲勞壽命分析,能真實地預測產品的壽命,極大地降低生產原型機和進行疲勞壽命測試所帶來的巨額開銷。經過近二十年的發展,計算機耐久性仿真技術已相當成熟,最具代表性的主導仿真軟件如MSC.Fatigue軟件,可進行初始裂紋分析、裂紋增長分析、焊接壽命分析、全壽命分析,多軸疲勞計算、整體及局部壽命分析、疲勞優化等,如通過MSC.Fatigue將可以仿真壓縮機由于加載所帶來的裂紋缺陷的擴展情況和工作壽命,并已被國外各大家電及發動機企業采用。本文成功應用到冰箱助吸器疲勞壽命開發設計。MSC.Fatigue已經使世界眾多的知名公司和企業從中獲得巨大的經濟效益。通過對產品早期分析可以縮短產品推向市場的時間,提高產品的可靠性,增強客戶對產品性能的信心,同時也減少了廠商由于未成熟產品的失敗而造成開發合同的終止或其它難以預計的后果。
   
疲勞問題的傳統解決方法有使用更高的安全系數保守設計部件,結果是增加了重量和費用,依賴于繁重的物理疲勞試驗,預測疲勞情況和壽命期望,這將導致費用增加和推向市場的時間加長,同時也限制了能進行試驗工況數量和操作環境。
   
由于家電產品要在各種復雜的載荷環境工作,因而需要對零件和整機的壽命進行分析,為保證產品具有最佳的經濟成本,還需要進行壽命等設計。冰箱助吸器在冰箱的作用是當冰箱門關閉時能使門有效的關緊,有效解決了由于門封條磁鐵的吸力不足而產生的漏冷嚴重的問題。由于其結構小,重要程度容易被開發者忽視。在開發設計中。開發人員一般憑借經驗或參考以前的產品對助吸器進行設計,沒有進行詳細的強度、疲勞壽命設計,因此在使用或冰箱開關實驗中經常發現了冰箱助吸器的斷裂,使得門無法關緊,氣流直接通過空氣流向箱外,影響了冰箱的外觀,損失大量的熱量。因此對冰箱助吸器進行結構疲勞壽命設計是很有必要的。
   
本文利用MSC.MARC和MSC.Fatigue軟件,首先對助吸器進行應力分析,經過應力分析優化助吸器的結構,再利用MSC對應力分析的結果進行疲勞壽命分析。通過有限元分析開發設計出新的冰箱助吸器結構和優化原有的冰箱助吸器結構。通過本文的分析可以有效代替了冰箱門開關試驗的次數,節省試驗和開發費用。本文也為家電其他部件的強度、疲勞壽命分析提供了一種有效的方法。

2 疲勞理論
   
疲勞壽命分析主要包括三個基本的壽命一預測方法:名義應力一壽命,局部應力和缺陷誤差。本文采用名義應力一壽命的分析方法。該分析方法一般假設構件無缺陷。在無缺陷零件中,裂紋通常從自由表面開始,特別是從角和邊等應力集中處。在一個固體模型零件中,自由節點處的應力和應變是最為重要的。
   
分析的理論基礎是Miner的線性疲勞累積損傷理論;
   
構件在應力水平Si作用下,經受ni次循環的損傷為Di=ni/Ni.若在k個Si應力水平作用下,各經受ni次循環,則可定義其總損傷為:

    其中,ni是在Si作用下的循環次數,由載荷譜給出;Ni是在si作用下循環到破壞的壽命,由全壽命疲勞S—N曲線確定。
   
任何零件的疲勞壽命評估包括三個步驟定義材料疲勞特性、定義疲勞載荷譜、分析求解后處理。最重要和最困難的是定義零件的載荷環境,其次,是建立載荷-應變曲線和建立應力—壽命關系曲線。
   
恒幅載荷作用下的疲勞壽命估算,可直接利用S一N曲線,交幅載荷譜下的壽命預測,借助于Miner理論可以解決。隨機載荷譜則需要等效轉換為交幅或恒幅載荷譜。對有限元模型上的一組載荷和約束的仿真將會估計出零件的服務環境。通過雨流計數法對典型載荷譜段進行統計分析,編制相應的變幅載荷塊譜。MSC.Fatigue提供一種方便的時間-歷程數據處理方式,很容易定義出需要的載荷時間歷程,然后使用外部資源綜合處理或獲取,例如數據獲取儀器。

3 分析軟件介紹及計算流程

    3.1 MSC.MARC軟件介紹
   
MSC.MARC是功能齊全的高級非線性有限元軟件,具有極強的結構分析能力。應用它可以處理各種線性和非線性結構分析包括;線性/非線性靜力分析、模態分析、簡諧響應分析、頻譜分析、隨機振動分析、動力響應分析、自動的靜/動力接觸、屈曲/失穩、失效和破壞分析等。MSC.MARC包括如下模塊:MSC.MARC/MENTAT是高級非線性有限元分析模塊,MENTAT是MARC的前后處理圖形對話界面。兩者嚴密整合的MSC.MARC/MENTAT成為解決復雜工程問題,完成學術研究的高級通用有限元軟件。MENTAT是新一代非線性有限元分析的前后處理圖形交互界面,與MARC求解器無縫連接。MSC.Marc是功能齊全的高級非線性有限元軟件的求解器,體現了30年來有限元分析的理論方法和軟件實踐的完美結合。它具有極強的結構分析能力,可以處理各種線性和非線性結構分析包括:線性/非線性靜力分析、模態分析、簡諧響應分析、頻譜分析、隨機振動分析、動力響應分析、自動的靜/動力接觸、屈曲/失穩、失效和破壞分析等。本文利用它來實現對助吸器開關門試驗產生的應力狀況進行模擬并初步優化結構,模擬的應力結果輸入到MSC.Fatigue進行疲勞壽命模擬。

3.2 MSC.Fatigue軟件介紹
   
MSC.Fatigue是MSC與MSC在疲勞和耐久性分析領域的合作伙伴nCod合作開發的。MSC.Fatigue可以幫助用戶快速而準確地預測產品在任何與時間相關和頻率相關的載荷工況作用下的壽命,并優化產品的重量和形狀。通過識別需要時間處理的部件的薄弱環節,加速創新。
   
    利用MSC.Fatigue軟件對機械部件進行疲勞壽命分析的優點是:
   
    ①所有的可能的載荷工況情況下,對產品進行虛擬試驗,增加產品最終設計時的信心。
   
    ②使新設計快速走向市場,避免沉長的物理上”裝與拆”的循環,而它需要數周或數月才能充分地達到正常的循環壽命時間。
   
    MSC.Fatigue軟件主要應用領域:
   
    ①承受低循環或隨機振動載荷的飛行器。
   
    ②汽車懸架系統和剎車系統。
   
    ③非高速路行駛的車輛,具有相對粗糙的操作環境。
   
    ④發動機噪聲,風力渦輪機和有隨機振動的海洋鉆井平臺。
   
    ⑤家電行業等

    3.5 疲勞壽命分析流程
   
近年來隨著計算機軟硬件的不斷發展,有限元技術也得到了更廣泛的應用,尤其是對于一些大型復雜結構,更顯出其優勢,在對結構進行靜強度分析的基礎上,利用其分析結果和先進的疲勞分析軟件MSC.Fatigue提供的疲勞壽命分析功能,對一些機械設備的關鍵結構件進行疲勞強度分析。本文應用大型有限元軟件MSC,MARC和MSC.Fatigue來計算助吸器的結構的應力和疲勞壽命。其核心采用的是線彈性斷裂力學,計算流程圖如圖1所示。

4 應力分析
   
結構靜力分析是疲勞分析的基礎,疲勞壽命分析可以認為是對結構靜力分析的后處理,本文首先利用MSC.MARC對冰箱助吸器進行結構靜力分析,然后在靜力分析基礎上,利用MSC.Fatigu對結構的疲勞壽命進行分析計算。

4.1 建立分析成型
   
冰箱助吸器的三維模型如圖2所示。助吸器通過自身和螺栓與門體固定在一起。

4.2 結構離散欖型
   
將物理模型導入MSC.MARC軟件,使用MSC.MARC前后處理器MENTAT對三維物理模型進行結構自動離散化,生成四而體的有限元分析網格,共生成7269節點.30902單元,如圖3。

    4.3 載荷確定
   
冰箱在開關門試驗或使用中,助吸器的主要載荷來自門鉸對它的作用,這種載荷可認為周期性的載荷。經過測試和計算可以得到此開門。關門時門鉸作用在助吸器的載荷大小和助吸器在業荷作用處的位移變化業。此數值可用于下面的有限元分析中。

    4.5約束條件及載荷
   
如圖4所示、在助吸器與門體固定的地方,其中一處使用螺拴與門體擰緊.見圖4約束條件apply2.另一處自身一部分與門體固定聯接,見圖4約束條件applyl。因此這兩處受到固定位移約束。

    4.6材料屬性
   
    助吸器使用材料為ABS板,它的物理性能參數見表1。

    4.7 計算結果
   
經過時助吸器在以上兩種工況進行穩態應力分析后,在兩種工況下最大應力值如表2。應力結果分別如圖5、6所示,最大應力發生在拐角處。經過應力分析,可以初步優化助吸器的結構.再選取優化后的應力結果導入MSC.Fatigue軟件進行疲勞壽命分析。這樣可以避免了后序大位疲勞分析計算工作.有效簡化計算流程,節省了大兩工作量。

5 疲勞壽命分析

    5.1確定分析對象及類型
   
在冰箱門開關試驗中,冰箱助吸器在未達到設計年限或未滿足試驗次數就經常出現破壞,經過分析確定此破壞為疲勞斷裂,為高周疲勞斷裂。在靜力分析的基礎上,冰箱助吸器還必須進行疲勞壽命分析。取整個助吸器為疲勞分析的研究對象。選擇分析類型:全壽命分析類型S-N。

    5.2進行門開關疲勞分析

    5.2.1導入MSCMARC應力分析的結果文件
   
啟動MSC.Fatigue軟件,導入MSC.MARC應力分析的結果見圖7。使用主頁面的RESULT命令觀察等效應力,最大等效應力發生扣緊門鉸部分的根部圓弧處、頭部和螺栓與門體固定處,與圖5相似。
 

    5.3結果分析
   
經過MSC.Farigue分析求解后,疲勞壽命結果如圖8所示。從圖8中可知.助吸器最危險部位的循環次數是10·606次,大于冰箱門開關設計次數,滿足設計要求。

6 結論
   
在當今激烈的市場競爭環境中,各公司都在致力于改進產品質量、性能和壽命,以期縮短產品投放市場的時間,降低成本。利用計算機,通過工程分析軟件可以快速有效地揭示各類參數的變化對產品性能的影響,從而達到降低成本的目的。已開展的應力預測僅僅是產品設計的一部分內容。現代產品設計則更迫切地需要通過工程分析手段預測產品的使用壽命,并使之成為產品設計的一部分。

本文應用MSC.MARC和MSC.Fatigue有限元軟件對助吸器進行靜強度和疲勞壽命分析,說明通過有限元分析優化產品結構,得到有效的疲勞壽命預測是可能的,但是為了產生必要的應力和應變結果,需要輸人適當的載荷和邊界條件。疲勞壽命計算對應力和應變數據的質量特別地敏感。適當的模型處理技術,單一元類型和網格精度是保證疲勞分析正確性的一個重要條件。有限元模型處理和應力分析被認為是疲勞壽命分析的重要前期活動。
   
    在疲勞壽命有限元分析中,經過總結存在以下困難:
   
    ①疲勞載荷譜較難獲取
   
    機械零部件在工作中,往往不但要承受自身由于旋轉的循環振動載荷,還要承受整機運行時的變幅振動載荷,由此合成的疲勞載荷譜非常復雜,很難統計轉換。
   
    ②材料疲勞特性難以確定
   
    由于在制造過程中存在難以克服的工藝分散性、材質不均勻等特點,同種材料的疲勞特性數據也存在很大差異,因此,疲勞分析所需的材料疲勞特性數據不一而定,具體某種材料的疲勞特性必須由具體疲勞試驗確定。
   
    ③疲勞分析技術難度大
   
    疲勞分析技術復雜,難度大,設計和分析人員都需要疲勞分析方面的技術經驗積累,不斷夯實基礎,逐步提升疲勞分析的技術平臺。
   
    ④疲勞試驗設備必須齊全
   
針對某種具體的材料,疲勞特性曲線P-S-N必須通過疲勞試驗獲得,才能保證數據正確。要獲得準確的疲勞載摘譜,必須具備相應的測試手段和試驗設備,通過具體實驗測試,獲得相關參數,采取特定的數值分析方法對其進行合成,分析整理成載荷譜,轉換為MSC.Fatigue軟件可使用的曲線。要精確地確定疲勞強度與壽命,還得進行模擬樣機疲勞試驗,結合試驗數據不斷調整分析參數,提高分析能力。
   
為了更好利用有限元分析技術,充分發揮有限元技術的作用,可以采用相應的如下措施:
   
①必須加強專業理論知識學習。加強疲勞分析的理論基礎研究,了解疲勞強度設計的基本理論和試驗方法,掌握機械構件在各種載荷環境下的的疲勞破壞機理,迅速提高疲勞分析的技術理論水平。
   
②充分利用有限元疲勞分析軟件公司的技術培訓。通過培訓學習,向分析工程師咨詢請教,與分析同行交流學習,熟練掌握疲勞軟件的分析流程,盡快提高疲勞分析的應用技巧(建模、分網、加載、求解及后處理技術),形成自己的分析方法。
   
③采取和專業的疲勞研究院所合作的方法。借助他們的實驗設備,獲得有關參數,不斷地積累有關技術數據,建立我們自己的材料疲勞特性數據庫和疲勞載荷譜圖庫。
   
④通過具體的工程分析項目與專家教授合作。在合作過程中,虛心學習,掌握建立疲勞載荷譜圖庫和材料疲勞特性數據庫的方法,學習研究他們的分析方法,借助專家教授的分析經驗,迅速提高我們的分析水平和解決實際工程問題的能力。

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