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基于Workbench的某箱體零件疲勞壽命探究

隨著機(jī)械向高溫、高速和大型方向發(fā)展，機(jī)械的應(yīng)力越來越高，使用條件也越來越惡劣，疲勞破壞事故不斷增多。據(jù)國外某機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，50%～90%的機(jī)械零件破壞為疲勞破壞[1]，例如，軸、連桿、壓力容器、螺栓和齒輪等結(jié)構(gòu)件。另外，隨著科技日益發(fā)展，人民的生活水平日益提高，對(duì)資源的需求亦是與日俱增，而陸地的資源卻隨著人類的發(fā)展日益枯竭；因此，人們迫切需要開采海洋資源，但是海洋環(huán)境異常復(fù)雜，沒有一個(gè)很好的試驗(yàn)方法，使得疲勞研究更為艱難。

傳統(tǒng)的疲勞壽命研究方法主要是通過靜力學(xué)計(jì)算和樣機(jī)試制進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修改，多次重復(fù)工作耗費(fèi)大量的資金和時(shí)間[2]。隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，以有限元法為基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)件疲勞壽命的數(shù)值仿真方法，在工程機(jī)械領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。本文所研究的殼體主要是應(yīng)用在海水中，發(fā)揮一個(gè)保護(hù)容器內(nèi)部器件的作用，承擔(dān)海水壓力以及海流沖擊載荷，工作的最大深度為300 m。

1 模型

海流載荷分為潮汐載荷和海流載荷，它們是作用于海上結(jié)構(gòu)物的主要載荷形式。海水從某海區(qū)大面積的流向另一海區(qū)形成海流，海流可以分為風(fēng)海流、梯度流、波浪流和入海徑流等。海流力是作用在海洋結(jié)構(gòu)物上的一種流動(dòng)阻力，主要是由于運(yùn)動(dòng)的水所產(chǎn)生的定長(zhǎng)流動(dòng)阻力，按照水下結(jié)構(gòu)物的阻力是流體動(dòng)能函數(shù)的原理，穩(wěn)定流動(dòng)條件下的阻力Fc表達(dá)式[5]為：

式中，F(xiàn)c是海流力作用在圓柱形上的總力，單位為N；ρw是海水的密度，單位為kg/m3；g是重力加速度，單位為m/s2；D是管柱的直徑，單位為m；h是水面至海底的深度，單位為m；Cd是阻力系數(shù)，無因次；u是海流速度，單位為m/s；dz是垂直方向的長(zhǎng)度增量，單位為m。

關(guān)于阻力系數(shù)Cd的影響因素主要取決于雷諾數(shù)，雷諾數(shù)的計(jì)算公式：

式中，V是截面的平均速度；L是特征長(zhǎng)度；γ是流體的運(yùn)動(dòng)粘度，海水的運(yùn)動(dòng)粘度一般取1×106m2/s。

對(duì)于圓形管，特征長(zhǎng)度L為圓管的直徑D；對(duì)于平板的外部繞流，特征長(zhǎng)度L取沿流動(dòng)方向的長(zhǎng)度，其臨界雷諾數(shù)為5×105～3×106。；對(duì)于異型管，特征長(zhǎng)度L取水力直徑DH，DH計(jì)算式如下：

式中，A是過流斷面的面積；S是過流斷面上流體與固體接觸的周長(zhǎng)。

關(guān)于波浪力的計(jì)算，工程上普遍采用莫里森方程[6-7]，即：

式中，CM是慣性力系數(shù)；D是管柱直徑，單位為m；y是管道的水平位移，單位為m；ux是管柱軸線處水質(zhì)點(diǎn)的水平方向速度，單位為m/s；Fwy是垂直作用于管柱上的單位長(zhǎng)度的波浪力，單位為N/m。

要想使用莫里森方程正確地計(jì)算出相應(yīng)的波浪力，應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)耐弦妨ο禂?shù)和慣性力系數(shù)。公式中流體質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度還可以采用不同的理論進(jìn)行求解，有基于線性波浪理論的Airy波理論(假定波浪振幅足夠小，可以忽略非線性項(xiàng)而得到速度勢(shì)的近似解)以及基于非線性波浪理論(還有橢圓余弦波理論、駐波理論和流函數(shù)波理論)的Stokes波理論。

2 箱體的強(qiáng)度分析

2.1 箱體模型的建立

本文應(yīng)用Creo2.0軟件建立箱體的實(shí)體模型，利用Creo2.0軟件與有限元軟件ANSYSWorkbench的無縫接口，將建立的模型導(dǎo)入到Workbench軟件中，采用HexDomainMethod，考慮到計(jì)算機(jī)性能的限制，以及應(yīng)力集中的地方主要為水流沖擊面以及底部的固定面，故底部固定面的面尺寸設(shè)置為0.002mm，其余面尺寸由程序自動(dòng)控制。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示，有限元網(wǎng)格模型網(wǎng)格單元?jiǎng)澐譃?5 318個(gè)，節(jié)點(diǎn)為227 136個(gè)。

圖1 有限元網(wǎng)格模型

2.2 箱體模型參數(shù)的設(shè)定

箱體采用的材料為結(jié)構(gòu)鋼，其力學(xué)性能參數(shù)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)鋼的材料屬性

2.3 箱體約束和載荷約束的施加

合理正確地施加載荷約束以及邊界固定約束是正確求解的先決條件。本文的箱體底部為固定約束，箱體在海水環(huán)境下為三向受力，各個(gè)面受力簡(jiǎn)化為均布載荷，其值按照波浪、海流載荷數(shù)值模型求解計(jì)算。流體的沖擊力約為15 MPa，水的靜壓力約為3 MPa。

2.4 箱體的靜力學(xué)分析

通過有限元軟件ANSYS Workbench對(duì)箱體模型進(jìn)行靜力學(xué)仿真求解，可以得到箱體的應(yīng)力云圖(見圖2)，由圖2可知，箱體底部拐角處應(yīng)力最大，最大值為148.76 MPa。箱體材料的屈服應(yīng)力為250 MPa，取安全系數(shù)為1，箱體的許用應(yīng)力為250 MPa，箱體的最大應(yīng)力明顯小于許用應(yīng)力，滿足靜強(qiáng)度要求，且存在較大的余量。

圖2 箱體的von-Mises應(yīng)力云圖

3 箱體的疲勞壽命分析

目前，還不存在一種理論公式可以完全準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出工程機(jī)械零部件的疲勞壽命，在筆者所查看的所有文獻(xiàn)中幾乎都是基于有限元技術(shù)進(jìn)行分析計(jì)算得出，因此，本文采用Workbench軟件。Workbench軟件的Fatigue模塊采用S-N曲線法和邁因納線性疲勞累計(jì)損傷準(zhǔn)則，為解決疲勞壽命問題提供了一個(gè)較為可信的途徑。

在靜力學(xué)分析完成后，添加Fatigue模塊，設(shè)置加載類型為“Ratio”，“Loading Ratio”為0.33，Scale Factor為2?；贛ean Sress Curves修正理論，計(jì)算求解得到壽命分析云圖(見圖3)。從圖3中可以清晰地看到，在海流、波浪載荷的沖擊下， 箱體零件的疲勞壽命最小為40多萬次。

圖3 疲勞壽命云圖

4 結(jié)語

本文應(yīng)用有限元軟件ANSYS Workbench13.0對(duì)某箱體零件進(jìn)行了靜力學(xué)分析以及疲勞分析，得到了如下結(jié)論。

1)從有限元分析獲得的應(yīng)力云圖可以清晰的看到，箱體零件在海流、波浪載荷的沖擊下，其最大應(yīng)力為148.76 MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力；其最大應(yīng)力位于箱體底部的拐角處。

2)通過利用ANSYS Workbench軟件中的Fatigue模塊對(duì)箱體零件進(jìn)行疲勞壽命研究，計(jì)算得到疲勞壽命至少為40多萬次，為使用該箱體零件的消費(fèi)者提供了一個(gè)理論性的參考。

[1] Hancq D A, Walters A J, Beuth J L. Development of an object-oriented fatigue tool[J]. Engineering with Computers, 2000, 16(2):131-144.

[2] 李舜酩.機(jī)械疲勞與可靠性設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[3] 范永斌，尹明德，丁奇.基于ANSYS Workbench的叉車貨叉疲勞壽命研究[J].煤礦機(jī)械， 2015(1):105-106.

[4] 吳卓，劉曉芬.基于Pro/E和ANSYS Workbench的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸有限元模態(tài)分析[J]. 新技術(shù)新工藝，2014(4):89-91.

[5] 楊進(jìn)，劉書杰，謝仁軍.ANSYS在海洋石油工程中的應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社，2010.

[6] 張金平，段艷麗，劉學(xué)虎.海洋平臺(tái)波浪載荷計(jì)算方法的分析和建議[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2006(3):10-14.

[7] 李家春.水面下的波浪——海洋內(nèi)波[J].力學(xué)與實(shí)踐，2005，27(2):1-6.

責(zé)任編輯 鄭練

紀(jì)玉杰，陳林林

(沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

以數(shù)值仿真分析方法為基礎(chǔ)，應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)箱體零件進(jìn)行疲勞壽命分析。在三維軟件Creo2.0中建立箱體零件模型，保存為IGS格式的文件，導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS Workbench中，得到箱體零件的有限元數(shù)值模型，并進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。根據(jù)零件的材料屬性，利用ANSYS Workbench軟件的Fatigue模塊進(jìn)行分析，得到了箱體零件的疲勞壽命。

箱體；波浪沖擊；ANSYS Workbench；疲勞壽命

Research on Fatigue Life for Box Part based on ANSYS Workbench

JI Yujie, CHEN Linlin

(College of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

Based on the numerical simulation method, apply ANSYS Workbench software to investigate fatigue life of box parts. The box parts are saved as IGS style after they are built in 3D software Creo2.0, and then they are imported into the finite element analysis software ANSYS Workbench to achieve the finite element numerical model of box parts and carry on static strength analysis. According to the material property, by using the fatigue module of ANSYS Workbench obtain the fatigue life of box parts.

box part, wave impact, ANSYS Workbench, fatigue life

紀(jì)玉杰(1970-)，男，副教授，主要從事CAE等方面的研究。

2016-03-29

TG 113.25+5

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