CAE疲勞壽命分析

2023-03-17 21:51 作者:上海賽一 0人讀過(guò) | 我要投稿

一、疲勞及疲勞分析概述

???疲勞就是材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下“在一處或幾處產(chǎn)生永久性累積損傷”經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過(guò)程。疲勞壽命的定義為發(fā)生疲勞破壞時(shí)的載荷循環(huán)次數(shù)，或從開(kāi)始受載到發(fā)生斷裂所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。即材料或構(gòu)件疲勞失效時(shí)所經(jīng)受的規(guī)定應(yīng)力或應(yīng)變的循環(huán)次數(shù)，是設(shè)計(jì)人員和工程技術(shù)人員十分關(guān)注的課題，也是與廣大用戶切身相關(guān)的問(wèn)題。
? ? ???構(gòu)件的疲勞是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程"受多種因素的影響，要精確地預(yù)估構(gòu)件的疲勞壽命，需要選擇合適的模型，這就需要宏觀力學(xué)方面的研究，包括疲勞裂紋發(fā)生、發(fā)展直至破壞的機(jī)理，還需要微觀力學(xué)方面的研究包括位錯(cuò)理論等。此外，還涉及到金屬材料科學(xué)、材料力學(xué)、振動(dòng)力學(xué)、疲勞理論、斷裂力學(xué)和計(jì)算方法等多門學(xué)科。只有更深刻地認(rèn)識(shí)了疲勞破壞的機(jī)理，將宏觀和微觀研究結(jié)合起來(lái)，才能更精確地預(yù)測(cè)壽命。
歸納疲勞壽命預(yù)測(cè)的各種理論與方法，可看出疲勞分析具有以下優(yōu)勢(shì)和問(wèn)題：
? ? ?? 1.預(yù)測(cè)疲勞裂紋形成壽命的方法很多，但是仍有很多問(wèn)題需要不斷深入探討，例如裂紋形成壽命的定義、更能反映實(shí)際損傷歷程的疲勞損傷累積理論、循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線的描述等，更為重要的是需要深入了解疲勞裂紋形成階段的損傷機(jī)理。目前在疲勞裂紋形成壽命預(yù)測(cè)方法中，局部應(yīng)力應(yīng)變法最有效，使用也最為廣泛；場(chǎng)強(qiáng)法發(fā)展迅速，具有發(fā)展?jié)摿Γ瞧浞治鲇?jì)算方法較為復(fù)雜。
? ? ? 2.由于很多工程構(gòu)件都含有尖銳缺口或裂紋，疲勞壽命往往主要消耗于裂紋的擴(kuò)展階段，因此根據(jù)斷裂力學(xué)的相關(guān)理論所建立的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的相關(guān)預(yù)測(cè)方法在壽命預(yù)測(cè)中具有越來(lái)越重要的地位。斷裂力學(xué)在近20年來(lái)已經(jīng)較為深刻地揭示了疲勞裂紋擴(kuò)展的機(jī)理，因而利用其相關(guān)知識(shí)建立一個(gè)描述裂紋擴(kuò)展過(guò)程的真實(shí)模型非常必要，這也是目前疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測(cè)研究的重點(diǎn)之一。
? ??? 3.將疲勞破壞過(guò)程分為形成與擴(kuò)展兩個(gè)階段進(jìn)行處理，分別估算出兩部分的疲勞壽命，從而能夠更為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)整個(gè)疲勞壽命。

? ??由于結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)往往屬于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，而在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的結(jié)構(gòu)材料S-N曲線又常是在簡(jiǎn)單應(yīng)力狀態(tài)下獲得的，因此常用最小能量屈服準(zhǔn)則或其它等效準(zhǔn)則，將所研究的疲勞點(diǎn)上的復(fù)雜應(yīng)力用一個(gè)等效應(yīng)力替代。對(duì)有限元法而言，這一過(guò)程很容易實(shí)現(xiàn)。等效替代以后，即可參照原始材料的S-N曲線進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估。上述方法稱之為應(yīng)力-壽命法或S-N法，該方法不嚴(yán)格區(qū)分裂紋產(chǎn)生和裂紋擴(kuò)展，而是給出結(jié)構(gòu)發(fā)生突然失效前的全壽命估計(jì)。當(dāng)然，還可以采用更加現(xiàn)代化的局部應(yīng)變法或初始裂紋法。
? ? ?對(duì)于疲勞分析來(lái)說(shuō)，物理模型即包含結(jié)點(diǎn)、單元、物理特性和材料特性的有限元模型。
? ? ?數(shù)學(xué)模型也就是使用物理模型計(jì)算應(yīng)力或應(yīng)變。可通過(guò)Model Solution或其它求解器來(lái)建立。求解后，可從后處理器中獲取相關(guān)的應(yīng)力或應(yīng)變。
? ? ?對(duì)于靜態(tài)疲勞分析來(lái)說(shuō)，可以用建立載荷函數(shù)的方式施加載荷。
? ? ?在進(jìn)行疲勞評(píng)估之前，必須先定義事件。它由物理模型、數(shù)學(xué)模型、載荷工況組成。
?? ?一般來(lái)說(shuō)，我們可進(jìn)行下列估算：
? ? ? b）事件損傷方向(Event Damage Direction)
? ??6.后處理(Post Processing)
四、案例---基于ABAQUS實(shí)現(xiàn)微電子元器件的熱疲勞分析

????針對(duì)CQFP封裝的可靠性分析，即低周熱疲勞分析。首先實(shí)現(xiàn)模型的單個(gè)周次的溫度循環(huán)載荷分析，Direct Cyclic的模型分析。

六、案例---基于FE-SAFE+ABAQUS實(shí)現(xiàn)齒輪疲勞耐久分析

齒輪嚙合過(guò)程中，齒面易產(chǎn)生表面疲勞磨損?；谄谀p的最大切應(yīng)力理論，最大剪切應(yīng)力產(chǎn)生于接觸表面附近，如果最大剪切應(yīng)力超過(guò)材料的屈服應(yīng)力將發(fā)生塑性應(yīng)變，并伴隨著外載荷的反復(fù)作用，將在發(fā)生塑性應(yīng)變處出現(xiàn)裂紋；因此剪切應(yīng)力低于屈服應(yīng)力將不易發(fā)生表面疲勞磨損。

七、案例---基于FE-SAFE+ABAQUS實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞耐久分析

制動(dòng)蹄疲勞耐久分析

? ? ? ? ? ? ??? ? ?變形結(jié)果(mm)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ???主應(yīng)力結(jié)果(MPa)

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ?? ?對(duì)數(shù)疲勞循環(huán)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ?分析結(jié)果表明，高于設(shè)計(jì)目標(biāo)10萬(wàn)個(gè)循環(huán)；低于設(shè)計(jì)壽命的區(qū)域主要位于約束區(qū)域附近。