有限元静力分析和疲劳仿真

挥之不去

在使用损伤容限全寿命方法计算稳定杆的疲劳寿命时，稳定杆的应力的大小是由简化模型计算而来的，而随着模型的简化，必然会对疲劳寿命的结果产生影响。本章将在计算机强大的计算力的辅助下，应用有限元软件来计算稳定杆所受到的应力；并且在此基础上，将应力结果导入疲劳仿真软件中，在考虑一些表面强化和加工处理的前提下，计算稳定杆的寿命，得到的结果将于理论计算的结果进行对比。

4.1 有限元分析软件选择及简要介绍

  

   （1）有限元分析软件

    有限元分析软件本文主要应用到ANSYS、Hyperwork、fesafe等。他们各自有其特点和适用性。其中ANSYS Workbench Environment（AWE）作为新一代多物理场协同CAE仿真环境，其独特的产品构架和众多的支撑性产品模块为产品整机、多场耦合分析提供了非常优秀的系统级解决方案。它包含几何建模模块（DesignModeler）、有限元分析模块（DesignSimulation）和优化设计模块（DesignXplorer）三大模块，将设计、仿真、优化集成与一体，可以让设计开发人员随时进入不同的模块之间进行双向参数互动调用，使其与仿真相关的部门、人和技术以及数据在同一的环境中协同工作。ANSYSY Workbench分析的基本流程如图4-1所示：

     

（2）疲劳仿真专用模块ANSYSY/FE-SAFE

ANSYSY/FE-SAFE模块是美国ANSYS公司和英格兰的安全技术公司（SAFE-TECHNOLOGY LIMMITED）紧密合作研发的疲劳计算模块，它是能够进行疲劳耐久性分析的专用模块，可以和许多的FEA软件和前后处理器有数据接口。ANSYS/FE-SAFE模块是一个专用的处理器（疲劳计算）；它分析的基础是ANSYS软件的结果数据，它分析的结果要送到ANSYS或ANSYS/Workbench处理器中进行相应的后处理。在产品设计阶段采用，可以在物理样机制造之前进行疲劳分析和优化设计，预测产品的寿命，真正实现等寿命周期设计，并可以极大地降低物理样机制造和进行耐久性试验所带来的巨额研发费用。

ANSYS/FE-SAFE采用先进的单/双轴疲劳计算方法，允许计算弹性或者弹塑性载荷历程，综合多种影响因素（如平均应力、应力集中、缺口敏感性、焊接成型等初始应力、表面光洁度、表面加工性质等）、按照累计损伤理论和雨流技术，根据各种应力和应变进行疲劳寿命和耐久性分析设计，或者根据材料以及载荷的概率统计规律进行概率疲劳设计以及疲劳可靠性设计，或者按照断裂力学损伤容限计算裂纹扩展寿命，

ANSYSY/FE=SAFE与ANSYS、ABAQUS、MSC Nastran和NX Nastran、Pro/M、IDEAS有直接接口，对大多数用户无需为了使用疲劳软件去重新学习CAE软件。ANSYS/FE-SAFE支持同一工况多个载荷历程输入，采用多轴算法更加的先进，也更精确，其算法包含小的疲劳循环引起的损伤，使计算值更接近真实值，使用SAE唯一推荐的Brown-Miller算法，使用标准单轴材料数据，不需要附加模块，并采用临界平面技术，自动跟踪每个位置的主应力和剪应力方向和大小的改变，确保获取非比例加载时精准的应力应变谱。ANSYS/FE-SAFE能够计算概率疲劳。ANSYS/FE-SAFE提供丰富的材料库，其中包含铸铁材料疲劳特性也可以根据选定材料自动选择最合适的算法。

4.2 稳定杆有限元分析

   

   （1）模型简化

首先根据某企业提供的稳定杆零件图在Solidworks中绘出稳定杆的实体模型，在此基础上对模型进行必要的简化，这样可以提高计算机计算的速度。合理的简化模型对提高经济性和准确性都很重要。考虑到软件的接口问题，将稳定杆的几何模型从三维绘图软件中导出igs格式并将其导入到Hypermesh软件中，得到的模型图如下图4-2所示：

（2）网格划分

     使用Hypemesh软件对稳定杆进行网格的划分，首先在杆的一个断面根据铜币理论划分网格，如下图4-3所示，在沿该断面拉伸网格，得到整体有限元模型如下图4-4所示。

   

（3）加载和约束

对于该稳定杆，本文将稳定杆套筒处的约束简化成为线接触，在线接触的中心处创建一个节点，并将该点与套筒约束的线上节点刚性连接起来，如图4-5所示。

然后将Hypermesh的求解模板改为ANSYS，并对所划分的网格更新单元属性，再将有限元的网格模型输入到ANSYS软件中去。

根据厂家提供的稳定杆的材料为 ，可知其弹性模量为 ，泊松比为0.3，在软件中添加这个材料的属性参数。然后在稳定杆两个端而分别施加方向相反大小为23mm的纵向位移。

（4）分析结果

     将计算模型导入ANSYS中进行计算，可以在中得到稳定杆的最大位移处的等效应力云图如下图4-6所示。

     

     通过该应力云图上可以看出最大应力点为套筒固定点的位置，最大应力为722Mpa,与在上章的应力估算值786Mpa，理论计算的数值偏大64Mpa。

4.3 稳定杆的疲劳仿真

   （1）导入有限元分析结果

启动进入ANSYS/FE-SAFE软件工作界面。在疲劳分析之前需要导入之前的模型信息和应力或应变分析结果。在FE-SAFE中打开open Finite Element Model以导入计算结果文件。如图4-7所示：

读入结果文件，结果文件包含材料信息、单元和节点等文件信息。导入的结果文件和单位制如图4-8所示：

（2）疲劳仿真参数设置

     导入结果文件以后，根据需要来定义疲劳分析类型、应力单位、载荷设置、材料参数等。导入的计算结果为节点计算结果，结果类型是应力值，静力结果的单位是Mpa，参见图4-9：

     

（a）、载荷设置

根据稳定杆的疲劳试验情况，设置载荷为如下图4-10所示的对称循环载荷。点击loading按钮，进入载荷编辑器，如果以前有数据，需要删除，点击选择添加的数据集，选中add user loading并定义疲劳载荷的历程系数，则疲劳载荷定义结束。

（b）材料的设置

根据厂方提供的稳定杆的材料数据，该稳定杆使用的是较为普遍的国产弹簧钢材料 ，因此需要再FE-SAFE的材料数据库中添加所需要的材料特性。设置材料的强度极限或屈服极限，以及泊松比的值。

（c）工艺和强度因子FOS设置

在定义材料特性后，需要设置零件的加工和表面处理数据，分析稳定杆的制造工艺过程，选用喷丸处理。

点击Design life选择le6为规定寿命，点击OK按钮，开始分析计算。如图4-12所示。

（3）求解和结果分析

     参数设置完成之后，则进行疲劳寿命的计算，计算结束后查看并保存相应的计算结果文件。查看疲劳计算结果文件，其计算结果如下图4-13：

     

通过上面的疲劳仿真结果，可以看出计算机仿真计算的疲劳寿命控制部位与理论估算时候的基本是相同的，计算机仿真计算出的疲劳仿真寿命约为118000次，这个寿命结果比前述损伤容限全寿命所计算出的结果提高了1.9万次的寿命。

而产生这个误差的原因主要是因为理论计算时采用稳定杆的简化模型来计算稳定杆的应力，而这会造成刚度的增大，使得计算的疲劳寿命结果偏小。而应用计算机进行疲劳仿真时，会对材料的加工工艺和表面的强化处理都进行一定的考虑和参数的设置，这样也会对计算的结果产生影响，按照相关的资料显示，加工工艺和表面强化对提高稳定杆的寿命都有一定的作用。

本章首先简单的介绍了本文仿真所用的一些软件，首先在Hypermesh里做有限元网格的划分，然后将文件导入ANSYS计算有限静力，最后将静力的结果导入FE-SAFE模块中计算疲劳寿命。在得到有限元静力结果和疲劳仿真寿命以后，将计算机仿真的结果与理论计算的结果进行了简单的对比分析，并解释了出现误差的原因。

[size=18.6667px]来源：CAE技术联盟