ANSYS疲劳分析的应用

ANSYS疲劳分析的应丿在传统的设计过程中， 设计人员在概念或详细设计阶段通常 使用简单而不 真实的计算来估计产品的寿命， 而对这些估计 寿命的验证通常是 通过一定量物理样机的耐久试验得到。 不 但试验周期长、耗资 大，而且许多参数与失效的定量关系也 不能在试验中得出，试验结 论还可能受许多偶然因素的影 响。因此对于产品疲劳寿命的仿真分 析方法越来越受到产品 设计人员的关注。在塑料机械中，模板是注塑机最重要的零件之一，它的 成本 是注塑机成本的主要组成部分，模板断裂，注塑机就不 能正常工 作。从强度出发，当然是选用高质量的材料，而且 尽量将模板做得 厚一些，但这两点均提高模板造价，影响整 机成本。目前模板大部 分采用球墨铸铁铸造。这主要考虑： (1) 在模板上铸出加强筋或将 模板掏空，可有效减少质 量;(2) 由于球铁较易于精铸 (树脂砂铸 造 ) ，使加工余量大 大减少，可有效减少加工成本 ;(3) 球铁刚性 较好，也具有 一定强度。虽然设计者充分考虑了模板的强度、刚 度，但仍 然有许多模板断裂的事故发生， 其原因在于模板断裂不 是因 为静力破坏而是因为疲劳破坏。一、元原理及模型建立 当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后， 在应力 值虽然始终没有超过材料的强度极限， 甚至比弹性极限还低 的情 况下就可能发生破坏。 这种在交变载荷作用下材料或结 构的破坏 现象称为疲劳破坏 1 。结构的疲劳破坏，首先在局部区域产生裂缝，一般是在 零件 和构件的表面，也可能在零件内部有缺陷处，即应力最 高的区域。 由于该区域代表了整个结构的疲劳强度，所以该 区域称为危险区， 危险区的应力、应变变化情形为结构疲劳 分析中所需的应力或应变 2 时间历程。因此，结构疲劳应力 分析的目的，就是要求得结构在 承受各种负荷时，对其危险 区的应力或应变响应，作为结构疲劳设 计的依据之一。在进行工程结构疲劳分析时，常应用ANSYS软件为分析 工具来确定结构的高应力危险区， 并进行负荷谱转化为应力 谱或 应变谱的工作。本工作将引用基本理论 2 ：其中，式中，B 为应变矩阵;D为弹性矩阵； f e及 Ke 为单元节点力及单元刚度矩阵。建立一组以结 点位移为未知 量的代数方程组， 解这些方程组就可以求出物 体上有限个离散结 点上的位移，从而得到所需的应力和应 变。利用三维通用软件 UGNX310 建立供分析用的三维几何 模型。根据零件的受力情况及要求，建模时作了一些简化： (1) 忽略模板上一些对整体受力影响不大的小孔 ;(2) 忽略 模板上四 台柱孔处的小凸台 ;(3) 忽略顶出联接台 ;(4) 忽 略大部分较小的圆 角并作了一定的简化。同时利用ANSYS的前处理器进行网格划分，得图 1 模型。图 1 定模板有限元模型二、ANSYS/ FE2SAFE 分析用 ANSYS FE2SAFB 卖取有限元分析计算出的单位载荷 或实 际工作载荷下的弹性应力， 然后根据实际载荷工况和交 变载荷形 式将结果比例迭加以产生工作应力时间历程 ; 也可 换算成特定类型 载荷作用下的弹塑性应力。 ANSYS/FE2SAFE 采用广泛使用的应 力 2 寿命方法，综合考虑平均应力、载荷 条件与疲劳强度系数等 疲劳影响因素并按线性累积损伤理 论 3 进行疲劳计算。ANSYS/ FE2SAFE进行疲劳分析包含三个步骤：材料疲 劳性能参数设定、疲劳分析与疲劳结果评估。定模板的材料为QT50027A其弹性模量和泊松比分别为E = 173 GPa 和 0.3 ，其疲劳特性曲线如图 2。图 2 球墨铸铁疲劳特性曲线建立疲劳分析如下：1)注塑机的定模板受到模具施加 同样大小的(160 t均布于中央320 mm范围内)反力;2)边界条件则因该零件的四个台阶孔的 X 与 Y 方向被固定， 故限制 其 X 与 Y 方向的自由度，而 Z 方向的自由度由前模 板的四个圆孔 限制 ;3) 设定疲劳强度换算系数 ( Kf ) 为 0.9 ;4) 确定疲劳载荷类型 为 History Data ( 并输入 1，1， 0，0) ;5) 设定设计寿命为 107 个 循环周期。三、结果与讨论图 3 是 160 t 锁模力的注塑机的定模板结构分析结果。 从图 3 可看出， 最大变形发生在定模板中央， 最大变形量为 0.268 mm 最大 Von Mises 应力发生在四台柱孔处，最大应 力为 246.785 MPa。QT50027 的强度为 c b = 500 MPa 0.2 = 320 MPa。从分析 结果看，不管采用何种应力理论， 其最大应力与零件所用材料的 c0.2 相比较，均有一定的安 全系数。由于零件所用材料球墨铸铁为脆性材料，可采用第 一强度 理论进行校核，即最大拉应力（第一主应力 c 1）不应超过某一数值。该零件受载荷是 c0.2/ c 1 = 2.413 ，应该说，强度储备是足够的。a - 总变形图 b - 等效应力图 图 3 160 t 定模板结构分析结果对 160 t （ 图 4） 和 120 t （ 图 5） 锁模力的注塑机的定 模板进行疲劳分析可知： 等效交变应力最大值也在四台阶孔 处， 数值为 210.365 MPa 和 246.785 MPa ，疲劳寿命最低 发生在四 台阶孔，数值分别为 1.438 X 105 和 2.523 X 105 , 指定设计寿命 条件（1 X 107）下的疲劳损伤以及最小安全 系数亦在四台阶孔 处。a - 疲劳寿命图 b - 安全系数图图 4 160 t 定模板疲劳寿命与安全系数图图 5 120 t 定模板寿命图定模板由于本身几何形状复杂及与拉杆联接状况各有 不同， 实际应力状况比较复杂，因而在传统的定模板强度分 析中，为了分 析简便，把定模板沿四台阶孔对角线简化成简 支梁。而实际上，四 台阶孔处已锁死，应视四台阶孔处为固 定端（ 变为悬臂梁的超静定 问题 ） 。由材料力学中的弯曲应 力、剪力以及超静定理论分析可 得，模具反作用于定模板中 央的压力在四台阶孔 （ 内侧 ） 处产 生最大的弯曲应力和剪 力，在频繁的开合模作用下，使系统产生频 繁冲击，这种冲 击力往往是造成模板疲劳断裂的主要原因。 特别 是当模板采 用球铁铸造时，使用时间一长，铸件产生疲劳，当有铸 造缺 陷时，就特别容易断裂 ;而四台阶孔 （外侧 ） 不受这一频繁 的 最大弯曲应力和剪力，故可达预期寿命。从 120 t 和 160 t 锁模 力的注塑机的定模板仿真分析也确证了这一论述。四、结论 利用模板的有限元疲劳分析预测模板的疲劳寿命以 改 进模板结构，实现模板的疲劳设计。经有限元疲劳分析分析 得 出定模板四台阶孔处为薄弱区， 所以在模板设计中不应使 四台阶 孔内侧处太薄， 且与四台阶孔对角线连接处加强筋应 加宽，否则 易发生危险。说明：本信息 在传统的设计过程中， 设计人员在概念或详细设计 阶段通常 使用简单而不真实的计算来估计产品的寿命， 而对这些 估计 寿命的验证通常是通过一定量物理样机的耐久试验得到。 不 但试验周期长、耗资大，而且许多参数与失效的定量关系也 不能在 试验中得出，试验结论还可能受许多偶然因素的影 响。因此对于产 品疲劳寿命的仿真分析方法越来越受到产品 设计人员的关注。在塑料机械中，模板是注塑机最重要的零件之一，它的 成本 是注塑机成本的主要组成部分，模板断裂，注塑机就不 能正常工 作。从强度出发，当然是选用高质量的材料，而且 尽量将模板做得 厚一些，但这两点均提高模板造价，影响整 机成本。目前模板大部分采用球墨铸铁铸造。这主要考虑： (1) 在模板上铸出加强筋或将模板掏空，可有效减少质 量;(2) 由于球 铁较易于精铸 (树脂砂铸造 ) ，使加工余量大 大减少，可有效减少 加工成本 ;(3) 球铁刚性较好，也具有 一定强度。虽然设计者充分考 虑了模板的强度、刚度，但仍 然有许多模板断裂的事故发生， 其 原因在于模板断裂不是因 为静力破坏而是因为疲劳破坏。一、元原理及模型建立 当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后， 在应力 值虽 然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 就可能发生破坏。 这种在交变载荷作用下材料或结 构的破坏现象 称为疲劳破坏 1 。结构的疲劳破坏，首先在局部区域产生裂缝，一般是在 零件 和构件的表面，也可能在零件内部有缺陷处，即应力最 高的区域。 由于该区域代表了整个结构的疲劳强度，所以该 区域称为危险区， 危险区的应力、应变变化情形为结构疲劳 分析中所需的应力或应变 2 时间历程。因此，结构疲劳应力 分析的目的，就是要求得结构在 承受各种负荷时，对其危险 区的应力或应变响应，作为结构疲劳设 计的依据之一。在进行工程结构疲劳分析时，常应用ANSYS软件为分析 工具来确定结构的高应力危险区， 并进行负荷谱转化为应力 谱或 应变谱的工作。本工作将引用基本理论 2 ：其中，式中， B 为应变矩阵 ; D 为弹性矩阵 ; fe 及 Ke 为单元节点力及单元刚度矩阵。建立一组以结 点位移为 未知量的代数方程组， 解这些方程组就可以求出物 体上有限个离 散结点上的位移，从而得到所需的应力和应 变。利用三维通用软件 UGNX310 建立供分析用的三维几何 模型。根据零件的受力情况及要求，建模时作了一些简化： (1) 忽 略模板上一些对整体受力影响不大的小孔 ;(2) 忽略 模板上四台柱孔 处的小凸台 ;(3) 忽略顶出联接台 ;(4) 忽 略大部分较小的圆角并作 了一定的简化。同时利用ANSYS的前处理器进行网格划分，得图 1 模型。图 1 定模板有限元模型二、ANSYS/ FE2SAFE 分析用 ANSYS FE2SAFB 卖取有限元分析计算出的单位载荷 或实 际工作载荷下的弹性应力， 然后根据实际载荷工况和交 变载荷形 式将结果比例迭加以产生工作应力时间历程 ; 也可 换算成特定类型 载荷作用下的弹塑性应力。 ANSYS/FE2SAFE 采用广泛使用的应力 2 寿命方法，综合考虑平均应力、载荷 条件 与疲劳强度系数等疲劳影响因素并按线性累积损伤理 论 3 进行疲劳计算。ANSYS/ FE2SAFE进行疲劳分析包含三个步骤：材料疲劳性 能参数设定、疲劳分析与疲劳结果评估。定模板的材料为QT50027A其弹性模量和泊松比分别为E = 173 GPa 和 0.3 ，其疲劳特性曲线如图 2。图 2 球墨铸铁疲劳特性曲线建立疲劳分析如下： 1) 注塑机的定模板受到模具施加 同样大小的(160 t均布于中央320 mm范围内)反力;2)边界条件 则因该零件的四个台阶孔的 X 与 Y 方向被固定， 故限制其 X 与 Y 方向的自由度，而 Z 方向的自由度由前模 板的四个圆孔限制 ;3) 设定疲劳强度换算系数 ( Kf ) 为 0.9 ;4) 确定疲劳载荷类型为 History Data ( 并输入 1，1， 0，0) ;5) 设定设计寿命为 107 个循 环周期。三、结果与讨论图 3 是 160 t 锁模力的注塑机的定模板结构分析结果。 从图 3 可看出， 最大变形发生在定模板中央， 最大变形量为 0.268 mm最大Von Mises应力发生在四台柱孔处，最大应 力为 246.785 MPa。QT50027 的强度为 c b = 500 MPa 0.2 = 320 MPa 。从分析结果看，不管采用何种应力理论， 其最大应力与零件所用材料的 c 0.2相比较，均有一定的安 全系数。由于零件所用材料球墨铸铁为脆性材料，可采用第 一强度理论进行校核， 即最大拉应力（第一主应力 c 1）不应 超过 某一数值。该零件受载荷是c0.2/ c 1 = 2.413，应该说，强度储备是足够的。a - 总变形图 b - 等效应力图图 3 160 t 定模板结构分析结果对 160 t （ 图 4） 和 120 t （ 图 5） 锁模力的注塑机的定 模板进行疲劳分析可知： 等效交变应力最大值也在四台阶孔 处， 数值为 210.365 MPa 和 246.785 MPa ，疲劳寿命最低 发生在四 台阶孔，数值分别为 1.438 X 105和2.523 X 105 , 指定设计寿命 条件（1 X 107）下的疲劳损伤以及最小安全 系数亦在四台阶孔 处。a - 疲劳寿命图 b - 安全系数图图 4 160 t 定模板疲劳寿命与安全系数图图 5 120 t 定模板寿命图定模板由于本身几何形状复杂及与拉杆联接状况各有 不同， 实际应力状况比较复杂，因而在传统的定模板强度分 析中，为了分 析简便，把定模板沿四台阶孔对角线简化成简 支梁。而实际上，四 台阶孔处已锁死，应视四台阶孔处为固 定端（ 变为悬臂梁的超静定 问题 ） 。由材料力学中的弯曲应 力、剪力以及超静定理论分析可 得，模具反作用于定模板中 央的压力在四台阶孔 （ 内侧 ） 处产 生最大的弯曲应力和剪 力，在频繁的开合模作用下，使系统产生频 繁冲击，这种冲 击力往往是造成模板疲劳断裂的主要原因。 特别 是当模板采 用球铁铸造时，使用时间一长，铸件产生疲劳，当有铸 造缺 陷时，就特别容易断裂 ;而四台阶孔 （外侧 ） 不受这一频繁 的 最大弯曲应力和剪力，故可达预期寿命。从 120 t 和 160 t 锁模 力的注塑机的定模板仿真分析也确证了这一论述。四、结论