热轧低合金钢疲劳分析方法及输出结果定义

时间：2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：文本框应用于定义新建疲劳分析的简要概述。在列表框中选中用于疲劳分析的载荷集，选中所需要的载荷集使其高亮显示。图8.45 “疲劳分析定义”对话框图8.46 选项卡选项组用于定义输出结果的显示的网格和输出计算安全系数。要求：零件为热轧低合金钢，最大抗拉强度为400Mpa，零件的设计疲劳寿命为106次，受到1000N的交变载荷作用。

热轧低合金钢疲劳分析方法及输出结果定义

【疲劳分析】就是对零件的疲劳特征进行评估和预测是否发生疲劳破坏，也可以和其他分析一起对零件进行优化设计。疲劳破坏就是零件在交变载荷重复作用下材料或结构的破坏现象，当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，虽然应力值始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下也可能发生破坏。

进行疲劳分析的主要内容如下：

疲劳寿命：发生疲劳破坏时的应力循环次数，或者从开始受重复载荷作用到断裂所经过的时间，称为疲劳寿命。

疲劳破坏就是在交变载荷作用下引起的零件失效或破坏。疲劳破坏不是在一次最大载荷作用下的破坏，而是反复载荷作用下产生的破坏，疲劳破坏通常没有明显的塑性变形迹象。

安全系数就是输入载荷的许用安全系数。当计算出的疲劳寿命比设计寿命长时，疲劳分析能够反过来计算输入载荷的许用安全系数。

疲劳寿命可信度就是计算出的疲劳和设计寿命的比值。由于疲劳具有统计特征，因此，疲劳寿命可信度越大越好。

运行预应力静态分析的条件：

一个约束集。

一个以上的载荷集和强制位移。

一个以上静态分析。

属于3D模型。

1.材料的疲劳特征

零件抵抗静力破坏的能力，主要取决于材料本身。零件抵抗疲劳破坏的能力不仅与材料有关，而且还与材料的组成，构件的状态和大小、表明状况等有关。在疲劳分析中，不仅确定材料密度、弹性模量、泊松比等参数，还需要设置材料的疲劳特征参数，如最大抗拉强度、材料表明处理、材料放入构成等。

选择菜单栏中的【属性（R）】→【材料（L）】命令，或单击“Mechanica对象”工具栏上的【材料】工具按钮，系统弹出“材料”对话框，选中【模型中的材料】列表框中的材料，选择菜单栏中的【编辑】→【属性】命令，系统弹出“材料定义”对话框，如图8.44所示。

图8.44 “材料定义”对话框

（1）【材料极限】选项组由于定义材料的拉伸屈服应力、抗张极限应力、压缩极限应力等材料属性值，取值范围在50～4000Mpa之间。

（2）【失效准则】选项组由于定义材料的失效方式：修正的莫尔理论、最大剪切应力（Tresca）、畸变能（von Mises）。

（3）【疲劳】选项组用于定义材料工艺特征。在下拉列表框中选择“统一材料法则（UML）”选项，然后其下的选项中设置材料类型、表面光洁度（表面粗糙度）、失效衰减因子。

【材料类型】下拉列表框用于选择零件的材料。系统提供的材料类型有非合金钢、低合金钢、钛合金、铝合金。

【表面光洁度】下拉列表框用于定义材料表面的处理情况，疲劳破坏与材料的表面情况有很大的关系，系统提供的材料表面处理情况有：已上光、基础、加工（精）、加工（中）、加工（粗）、热轧、锻造、铸造、水蚀处理、咸水水蚀处理、氮化处理、冷轧、喷丸处理等表面处理情况。

【失效强度衰减因子】文本框用于定义疲劳强度换算系数，该值为大于1的数值。

2.新建疲劳分析

在“分析和设计研究”对话框中，选择菜单栏中的【文件（F）】→【新建疲劳分析】命令，系统弹出“疲劳分析定义”对话框，如图8.45所示。

（1）【名称】文本框用于定义新建疲劳分析的名称，系统默认为Analysis+数字，也可以自定义。

（2）【说明】文本框应用于定义新建疲劳分析的简要概述。

（3）【载荷历史】选项卡用于定义载荷零件作用过程。

【寿命】文本框用于定义发生疲劳破坏时的应力循环次数，或者从开始受重复载荷作用到断裂所经过的时间。

【正在加载】选项组用于设置交变载荷的幅值特征、载荷的类型。在【类型】下拉列表框中选择载荷幅值变化类型：恒定振幅、可变振幅，如果载荷是随机载荷，则需要选择可变振幅，否则选择恒定振幅；在【振幅类型】下拉列表框中选择幅值类型：峰值-峰值、零值-峰值、用户定义的3种，如果选择用户定义的幅值类型，则需要输入最小载荷因子和最大载荷因子。

（4）【前一分析】选项卡，如图8.46所示，该选项卡用于定义进行疲劳分析所需的静态分析、设计研究和载荷集。

勾选【使用来自前一设计研究的统计分析结果】复选框，在【设计研究】下拉列表框中选择模型中已创建的设计研究。

在【静态分析】下拉列表框中选择模型中已创建的静态分析。

在【载荷集】列表框中选中用于疲劳分析的载荷集，选中所需要的载荷集使其高亮显示。

图8.45 “疲劳分析定义”对话框

图8.46 【前一分析】选项卡

（5）【输出】选项组用于定义输出结果的显示的网格和输出计算安全系数。

在【绘制网格】微调框中调整输出结果显示的网格数，该数值为2～10之间。

勾选【计算安全系数】复选框，系统在对零件进行疲劳分析的同时计算输入载荷的许用安全系数，并将其输出。

3.获取分析结果

在“分析和设计研究”对话框中，选中【分析和设计研究】列表框中的疲劳分析，单击工具栏上的【查看设计研究或有限元分析结果】按钮，系统弹出“结果窗口定义”对话框，如图8.47所示，该对话框的内容与前面讲解的静态分析、模态分析相差不多，不同之处如下：

【显示类型】定义生成的分析结果显示类型，这里只能“Fringe（条纹）”一种。

在【量】选项卡【分量】下拉列表框中选择输出结果的具体内容：日志寿命、日志破坏、安全系数、寿命置信度4中类型。

4.实例

下面以如图8.47所示简单的紧固件几何模型为例，讲解疲劳分析的建立分析过程。

要求：零件为热轧低合金钢，最大抗拉强度为400Mpa，零件的设计疲劳寿命为106次，受到1000N的交变载荷作用。

（1）建立几何模型

选择菜单栏中的【文件（F）】→【新建（N）】命令，系统弹出“新建”对话框，点选【零件】单选按钮，在【名称】文本框中键入B，取消【使用缺省模板】复选框，单击【确定】按钮，系统弹出“新文件选项”对话框。

在“新文件选项”对话框中，选中列表框中的“mmns_part_solid”选项，单击【确定】按钮，进入零件设计平台。

单击“基础特征”工具栏上的【拉伸】工具按钮，在控制面板中显示拉伸设置选项，单击【放置】选项卡中的【定义】按钮，系统弹出“草图”对话框，在3D工作区中，选择Right草绘面，单击【草绘】按钮，进入草图绘制平台。

绘制如图8.48所示草图，单击“草绘器”工具栏上的【完成】按钮，在控制面板中厚度设置框中键入15，单击其后的【完成】按钮，完成模型的设计。

图8.47 疲劳分析模型

图8.48 草图

（2）定义模型的材料

选择菜单栏中的【应用程序（P）】→【Mechanica（M）】命令，系统弹出“Mechanica模型设置”对话框，在【模型类型】下拉列表框中选择“Structure”选项，单击【确定】按钮，进入结构分析平台。(www.xing528.com)

单击“Mechanica对象”工具栏上的【材料分配】工具按钮，或选择菜单栏中的【属性（R）】→【材料分配（A）】命令，系统弹出“材料指定”对话框，单击【属性】选项组中【Material】选项组中【更多】按钮，系统弹出“材料”对话框，双击【库中的材料】列表框中的“STEEL.mtl”材料，使其添加到右侧【模型中的材料】列表框中。

在【模型中的材料】列表框中，选中“STEEL”材料选项，选择菜单栏中的【编辑】→【属性】命令，系统弹出“材料定义”对话框。

在【材料极限】选项组中，【拉伸屈服应力】文本框中键入350，在其后下拉列表框中选择“Mpa”单位选项；【抗拉极限应力】文本框中键入400，在其后下拉列表框中选择“Mpa”单位选项。

选择【失效准则】下拉列表框中的“最大剪切应力（Tresca）”选项；选择【疲劳】下拉列表框中的“统一材料法则（UML）”选项，在其下的【材料类型】下拉列表框中选择“低合金钢”选项，【表面光洁度】下拉列表框中选择“热轧”选项，在【失效强度衰减因子】文本框中键入2，“材料定义”对话框中的设置如图8.49所示。