Анализ усталостной прочности в ANSYS Motion

Аватар пользователя brsv
0 501

Анализ усталостной прочности в ANSYS Motion

Оценка срока службы изделия на основе анализа усталостной прочности проводится для различных изделий. В данной статье будут рассмотрены инструменты ANSYS Motion Fatigue на примере анализа усталостной прочности рычага подвески (см. рисунок 1).

Рисунок 1 – Расчетная модель рычага повески

 

Порядок работы

Расчетная сетка была создана в ANSYS Motion (см. Рисунок 2).

Рисунок 2 – Расчетная сетка

Предварительно необходимо определить объект анализа как упругое узловое тело (Nodal) и создать наборы (Nodeset). В нашей модели тело рычага представлено как упругое узловое тело, а места крепления и приложения нагрузки как абсолютно жесткие тела (наборы будут иметь названия не Nodeset, а Rigid Body Element, FRBE). На рисунке 3 представлена модель рычага и создание наборы.

 

Рисунок 3 – Расчетная модель рычага и наборы узлов

Итак, порядок проведения анализа усталостной прочности в ANSYS Motion будет следующим:

  • Подготовка геометрии.
  • Создание конечно-элементной модели и наборов.
  • Задание свойств материалов (кроме усталостных).
  • Определение закона изменения нагрузки (один цикл).
  • Определение граничных условий (контакты, шарниры, нагрузки).
  • Проведение расчета (квазистатика, динамика).
  • Импорт результатов анализа.
  • Определение усталостных свойств материала.
  • Проведение анализа усталости объекта.

Граничные условия

Сначала создадим закон изменения нагрузки с помощью инструмента Function Expression. Условимся, что один цикл нагружения будет происходить за время 0,1 сек и изменяться по синусоидальному закону. Исходя из данных условий, функция будет иметь вид:

F(time) = 5000*sin(2*time*pi*10)

График данной функции представлен на рисунке 4.

 

Рисунок 4 – Закон изменения нагрузки

Следующим этапом зададим ограничения с помощью сайлентблоков (Bushing). Создаем сайлентблок типа Body-Ground (для выбора систем координат и наборов узлов удобно использовать инструмент выбора Pick). В качестве Position выбираем начало координат, а Direction ось Z (ось вращения). Далее необходимо определить свойства сайлентблоков, которые могут быть получены из экспериментальных данных или путем моделирования упругих тел. В окне свойств определяем жесткость при поступательных и вращательных перемещениях (см. рисунки 5,6) и демпфирование. Стоит отметить, что жесткость может быть определена как константами, так и сплайнами, что позволяет моделировать нелинейное поведение.

Рисунок 5 – Свойства сайлентблока А

Рисунок 6 – Свойства сайлентблока В

 

Далее необходимо определить нагрузку. Выбираем Vector Force и определяем по типу Body-Ground и задаем ориентацию как показано на рисунке 1 (ось Х). В окне свойств выбираем тип Standard Vector Force&Torque и выбираем ранее созданную функцию для компоненты Fx (см. Рисунок 7).

Рисунок 7 – Определение нагрузки

Свойства материала оставим по умолчанию (конструкционная сталь).

 

Настройки решателя

Определяем тип анализа как Dynamics Analysis. Задаем время моделирования 0,1 сек. Количество шагов 20. Нажимаем Simulate. Количество ядер по возможности (пропорционально 2N).

Рисунок 8 – Настройки решателя

Анализ результатов

После решения откроется постпроцессор. На рисунке 9 представлены поля эквивалентных напряжений Мизеса, которые не превышают 189 МПа, что удовлетворяет критериям прочности для стали и некоторых алюминиевых сплавов. Далее необходимо выполнить анализ усталостной прочности.

Рисунок 9 – Поля эквивалентных напряжений Мизеса

Анализ усталостной прочности

В ANSYS Motion реализованы два подхода для оценки усталостной прочности конструкции: по напряжениям и по деформациям («очевидно и невероятно»). Имеется возможность определения качества обработки поверхности (коэффициент Finish) и остаточные напряжения после термообработки или ОМД (коэффициент Treatment). Для представления напряжений используется метод падающего дождя (автоматически). Методы усреднения напряжений:

  • Neglect.
  • Гудмана.
  • Гербера.
  • Содерберга.
  • Эллиптический.

Более подробно про все инструменты ANSYS Motion Fatigue смотрите в ANSYS Motion Postprocessor Manual.

В нашем примере будем использовать подход по напряжениям, а средние напряжения будут определяться методом Neglect.

Для начала определим свойства материала. В окне постпроцессора выбираем материал 2014_HV_O из стандартной библиотеки (см. рисунок 10).

Рисунок 10 – Задание материала из стандартной библиотеки

Далее скопируем материал (кнопка Add). Создался материал с названием Material 1 (будем использовать его). «Статические» свойства материала оставляем без изменения (при необходимости изменяем на «свои»). «Усталостные» свойства определяем следующие: SRI = 800 (точка пересечения оси напряжений на диаграмме S-N); b1 = -0,13; b2 = 0 (константы); Nc = 1e6 (ресурс, срок службы). После этого нажимаем Update и OK. Коэффициенты, учитывающие качество и напряженное состояние поверхности, учитывать не будем.

Затем загружаем материал и выбираем его для тела. Порядок настройки представлен на рисунках 11, 12.

Рисунок 11 – Задание материала

Рисунок 12 – Определение материала для тела

После настроек выполняем запуск расчета. Порядок запуска представлен на рисунке 13.

Рисунок 13 – Запуск расчета

После завершения расчета станут доступны результаты анализа усталостной прочности (Life Cycle и Damage). Результаты расчета представлены на рисунках 14, 15.

Рисунок 14 – Поля распределения количества циклов до отказа

Рисунок 15 – Отношение расчетного срока службы к заданному (Damage)

 

Заключение

В данное статье были рассмотрены основные инструмента ANSYS Motion Fatigue на примере анализа усталостной прочности рычага подвески. По полученным результатам видно, что конструкция не удовлетворяет условиям усталостной прочности и требует доработки.

 

Добавить комментарий

Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии