基于Workbench的某箱体零件疲劳寿命探究



基于Workbench的某箱体零件疲劳寿命探究

随着机械向高温、高速和大型方向发展，机械的应力越来越高，使用条件也越来越恶劣，疲劳破坏事故不断增多。据国外某机构统计，50%～90%的机械零件破坏为疲劳破坏[1]，例如，轴、连杆、压力容器、螺栓和齿轮等结构件。另外，随着科技日益发展，人民的生活水平日益提高，对资源的需求亦是与日俱增，而陆地的资源却随着人类的发展日益枯竭；因此，人们迫切需要开采海洋资源，但是海洋环境异常复杂，没有一个很好的试验方法，使得疲劳研究更为艰难。

传统的疲劳寿命研究方法主要是通过静力学计算和样机试制进行试验，根据试验结果进行修改，多次重复工作耗费大量的资金和时间[2]。随着计算机的快速发展，以有限元法为基础计算结构强度和预测结构件疲劳寿命的数值仿真方法，在工程机械领域得到了广泛应用[3-4]。本文所研究的壳体主要是应用在海水中，发挥一个保护容器内部器件的作用，承担海水压力以及海流冲击载荷，工作的最大深度为300 m。

1 模型

海流载荷分为潮汐载荷和海流载荷，它们是作用于海上结构物的主要载荷形式。海水从某海区大面积的流向另一海区形成海流，海流可以分为风海流、梯度流、波浪流和入海径流等。海流力是作用在海洋结构物上的一种流动阻力，主要是由于运动的水所产生的定长流动阻力，按照水下结构物的阻力是流体动能函数的原理，稳定流动条件下的阻力Fc表达式[5]为：

式中，Fc是海流力作用在圆柱形上的总力，单位为N；ρw是海水的密度，单位为kg/m3；g是重力加速度，单位为m/s2；D是管柱的直径，单位为m；h是水面至海底的深度，单位为m；Cd是阻力系数，无因次；u是海流速度，单位为m/s；dz是垂直方向的长度增量，单位为m。

关于阻力系数Cd的影响因素主要取决于雷诺数，雷诺数的计算公式：

式中，V是截面的平均速度；L是特征长度；γ是流体的运动粘度，海水的运动粘度一般取1×106m2/s。

对于圆形管，特征长度L为圆管的直径D；对于平板的外部绕流，特征长度L取沿流动方向的长度，其临界雷诺数为5×105～3×106。；对于异型管，特征长度L取水力直径DH，DH计算式如下：

式中，A是过流断面的面积；S是过流断面上流体与固体接触的周长。

关于波浪力的计算，工程上普遍采用莫里森方程[6-7]，即：

式中，CM是惯性力系数；D是管柱直径，单位为m；y是管道的水平位移，单位为m；ux是管柱轴线处水质点的水平方向速度，单位为m/s；Fwy是垂直作用于管柱上的单位长度的波浪力，单位为N/m。

要想使用莫里森方程正确地计算出相应的波浪力，应选择恰当的拖曳力系数和惯性力系数。公式中流体质点的速度和加速度还可以采用不同的理论进行求解，有基于线性波浪理论的Airy波理论(假定波浪振幅足够小，可以忽略非线性项而得到速度势的近似解)以及基于非线性波浪理论(还有椭圆余弦波理论、驻波理论和流函数波理论)的Stokes波理论。

2 箱体的强度分析

2.1 箱体模型的建立

本文应用Creo2.0软件建立箱体的实体模型，利用Creo2.0软件与有限元软件ANSYSWorkbench的无缝接口，将建立的模型导入到Workbench软件中，采用HexDomainMethod，考虑到计算机性能的限制，以及应力集中的地方主要为水流冲击面以及底部的固定面，故底部固定面的面尺寸设置为0.002mm，其余面尺寸由程序自动控制。网格划分结果如图1所示，有限元网格模型网格单元划分为65 318个，节点为227 136个。

图1 有限元网格模型

2.2 箱体模型参数的设定

箱体采用的材料为结构钢，其力学性能参数见表1。

表1 结构钢的材料属性

2.3 箱体约束和载荷约束的施加

合理正确地施加载荷约束以及边界固定约束是正确求解的先决条件。本文的箱体底部为固定约束，箱体在海水环境下为三向受力，各个面受力简化为均布载荷，其值按照波浪、海流载荷数值模型求解计算。流体的冲击力约为15 MPa，水的静压力约为3 MPa。

2.4 箱体的静力学分析

通过有限元软件ANSYS Workbench对箱体模型进行静力学仿真求解，可以得到箱体的应力云图(见图2)，由图2可知，箱体底部拐角处应力最大，最大值为148.76 MPa。箱体材料的屈服应力为250 MPa，取安全系数为1，箱体的许用应力为250 MPa，箱体的最大应力明显小于许用应力，满足静强度要求，且存在较大的余量。

图2 箱体的von-Mises应力云图

3 箱体的疲劳寿命分析

目前，还不存在一种理论公式可以完全准确地预测出工程机械零部件的疲劳寿命，在笔者所查看的所有文献中几乎都是基于有限元技术进行分析计算得出，因此，本文采用Workbench软件。Workbench软件的Fatigue模块采用S-N曲线法和迈因纳线性疲劳累计损伤准则，为解决疲劳寿命问题提供了一个较为可信的途径。

在静力学分析完成后，添加Fatigue模块，设置加载类型为“Ratio”，“Loading Ratio”为0.33，Scale Factor为2。基于Mean Sress Curves修正理论，计算求解得到寿命分析云图(见图3)。从图3中可以清晰地看到，在海流、波浪载荷的冲击下， 箱体零件的疲劳寿命最小为40多万次。

图3 疲劳寿命云图

4 结语

本文应用有限元软件ANSYS Workbench13.0对某箱体零件进行了静力学分析以及疲劳分析，得到了如下结论。

1)从有限元分析获得的应力云图可以清晰的看到，箱体零件在海流、波浪载荷的冲击下，其最大应力为148.76 MPa，远小于材料的许用应力；其最大应力位于箱体底部的拐角处。

2)通过利用ANSYS Workbench软件中的Fatigue模块对箱体零件进行疲劳寿命研究，计算得到疲劳寿命至少为40多万次，为使用该箱体零件的消费者提供了一个理论性的参考。

[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.机械疲劳与可靠性设计[M].北京：科学出版社，2006.

[3] 范永斌，尹明德，丁奇.基于ANSYS Workbench的叉车货叉疲劳寿命研究[J].煤矿机械， 2015(1):105-106.

[4] 吴卓，刘晓芬.基于Pro/E和ANSYS Workbench的四缸发动机曲轴有限元模态分析[J]. 新技术新工艺，2014(4):89-91.

[5] 杨进，刘书杰，谢仁军.ANSYS在海洋石油工程中的应用[M].北京:石油工业出版社，2010.

[6] 张金平，段艳丽，刘学虎.海洋平台波浪载荷计算方法的分析和建议[J].石油矿场机械，2006(3):10-14.

[7] 李家春.水面下的波浪——海洋内波[J].力学与实践，2005，27(2):1-6.

责任编辑 郑练

纪玉杰，陈林林

(沈阳理工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110159)

以数值仿真分析方法为基础，应用ANSYS Workbench软件对箱体零件进行疲劳寿命分析。在三维软件Creo2.0中建立箱体零件模型，保存为IGS格式的文件，导入有限元分析软件ANSYS Workbench中，得到箱体零件的有限元数值模型，并进行静强度分析。根据零件的材料属性，利用ANSYS Workbench软件的Fatigue模块进行分析，得到了箱体零件的疲劳寿命。

箱体；波浪冲击；ANSYS Workbench；疲劳寿命

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

纪玉杰(1970-)，男，副教授，主要从事CAE等方面的研究。

2016-03-29

TG 113.25+5

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