基于Workbench的某箱體零件疲勞壽命探究

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基于Workbench的某箱體零件疲勞壽命探究

隨著機械向高溫、高速和大型方向發展，機械的應力越來越高，使用條件也越來越惡劣，疲勞破壞事故不斷增多。據國外某機構統計，50%～90%的機械零件破壞為疲勞破壞[1]，例如，軸、連桿、壓力容器、螺栓和齒輪等結構件。另外，隨著科技日益發展，人民的生活水平日益提高，對資源的需求亦是與日俱增，而陸地的資源卻隨著人類的發展日益枯竭；因此，人們迫切需要開采海洋資源，但是海洋環境異常復雜，沒有一個很好的試驗方法，使得疲勞研究更為艱難。

傳統的疲勞壽命研究方法主要是通過靜力學計算和樣機試制進行試驗，根據試驗結果進行修改，多次重復工作耗費大量的資金和時間[2]。隨著計算機的快速發展，以有限元法為基礎計算結構強度和預測結構件疲勞壽命的數值仿真方法，在工程機械領域得到了廣泛應用[3-4]。本文所研究的殼體主要是應用在海水中，發揮一個保護容器內部器件的作用，承擔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構物的主要載荷形式。海水從某海區大面積的流向另一海區形成海流，海流可以分為風海流、梯度流、波浪流和入海徑流等。海流力是作用在海洋結構物上的一種流動阻力，主要是由于運動的水所產生的定長流動阻力，按照水下結構物的阻力是流體動能函數的原理，穩定流動條件下的阻力Fc表達式[5]為：

式中，Fc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，無因次；u是海流速度，單位為m/s；dz是垂直方向的長度增量，單位為m。

關于阻力系數Cd的影響因素主要取決于雷諾數，雷諾數的計算公式：

式中，V是截面的平均速度；L是特征長度；γ是流體的運動粘度，海水的運動粘度一般取1×106m2/s。

對于圓形管，特征長度L為圓管的直徑D；對于平板的外部繞流，特征長度L取沿流動方向的長度，其臨界雷諾數為5×105～3×106。；對于異型管，特征長度L取水力直徑DH，DH計算式如下：

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。

關于波浪力的計算，工程上普遍采用莫里森方程[6-7]，即：

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

要想使用莫里森方程正確地計算出相應的波浪力，應選擇恰當的拖曳力系數和慣性力系數。公式中流體質點的速度和加速度還可以采用不同的理論進行求解，有基于線性波浪理論的Airy波理論(假定波浪振幅足夠小，可以忽略非線性項而得到速度勢的近似解)以及基于非線性波浪理論(還有橢圓余弦波理論、駐波理論和流函數波理論)的Stokes波理論。

2 箱體的強度分析

2.1 箱體模型的建立

本文應用Creo2.0軟件建立箱體的實體模型，利用Creo2.0軟件與有限元軟件ANSYSWorkbench的無縫接口，將建立的模型導入到Workbench軟件中，采用HexDomainMethod，考慮到計算機性能的限制，以及應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置為0.002mm，其余面尺寸由程序自動控制。網格劃分結果如圖1所示，有限元網格模型網格單元劃分為65 318個，節點為227 136個。

圖1 有限元網格模型

2.2 箱體模型參數的設定

箱體采用的材料為結構鋼，其力學性能參數見表1。

表1 結構鋼的材料屬性

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，箱體在海水環境下為三向受力，各個面受力簡化為均布載荷，其值按照波浪、海流載荷數值模型求解計算。流體的沖擊力約為15 MPa，水的靜壓力約為3 MPa。

2.4 箱體的靜力學分析

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

圖2 箱體的von-Mises應力云圖

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確地預測出工程機械零部件的疲勞壽命，在筆者所查看的所有文獻中幾乎都是基于有限元技術進行分析計算得出，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損傷準則，為解決疲勞壽命問題提供了一個較為可信的途徑。

在靜力學分析完成后，添加Fatigue模塊，設置加載類型為“Ratio”，“Loading Ratio”為0.33，Scale Factor為2。基于Mean Sress Curves修正理論，計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 結語

本文應用有限元軟件ANSYS Workbench13.0對某箱體零件進行了靜力學分析以及疲勞分析，得到了如下結論。

1)從有限元分析獲得的應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，其最大應力為148.76 MPa，遠小于材料的許用應力；其最大應力位于箱體底部的拐角處。

2)通過利用ANSYS Workbench軟件中的Fatigue模塊對箱體零件進行疲勞壽命研究，計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者提供了一個理論性的參考。

[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.機械疲勞與可靠性設計[M].北京：科學出版社，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].煤礦機械， 2015(1):105-106.

[4] 吳卓，劉曉芬.基于Pro/E和ANSYS Workbench的四缸發動機曲軸有限元模態分析[J]. 新技術新工藝，2014(4):89-91.

[5] 楊進，劉書杰，謝仁軍.ANSYS在海洋石油工程中的應用[M].北京:石油工業出版社，2010.

[6] 張金平，段艷麗，劉學虎.海洋平臺波浪載荷計算方法的分析和建議[J].石油礦場機械，2006(3):10-14.

[7] 李家春.水面下的波浪——海洋內波[J].力學與實踐，2005，27(2):1-6.

責任編輯 鄭練

紀玉杰，陳林林

(沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110159)

以數值仿真分析方法為基礎，應用ANSYS Workbench軟件對箱體零件進行疲勞壽命分析。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，導入有限元分析軟件ANSYS Workbench中，得到箱體零件的有限元數值模型，并進行靜強度分析。根據零件的材料屬性，利用ANSYS Workbench軟件的Fatigue模塊進行分析，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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