ansys概述及其在結(jié)構(gòu)疲勞分析中的應(yīng)用文獻綜述

1、<p>　　ANSYS概述及其在結(jié)構(gòu)疲勞分析中的應(yīng)用</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著全球經(jīng)濟一體化腳步的加快，國內(nèi)外的制造業(yè)面臨著日益激烈的競爭，尤其是中國加入WTO后，中國參與世界競爭，國外制造業(yè)沖擊中國市場，我國制造業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。因此，實現(xiàn)全面信息化，提高技術(shù)創(chuàng)新能力是制造業(yè)提高核心競爭力的必然選擇。</p

2、><p>　　ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAD工具之一。</p><p>　　企業(yè)的產(chǎn)品投放市場后，如果在耐久性方面出現(xiàn)問題將會造成許多新產(chǎn)品失去競爭力，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失，同時又使企業(yè)形象蒙受巨大的負面

3、影響。在中國，由于疲勞耐久性與可靠性不過關(guān)造成的產(chǎn)品問題更是普遍存在，是國產(chǎn)產(chǎn)品缺乏國際競爭力的最重要因素之一。國際上，每年因結(jié)構(gòu)疲勞的原因，大量產(chǎn)品在其有效壽命期內(nèi)報廢，由于疲勞破壞而造成的惡性事故也時有出現(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計，歐洲每年早期斷裂造成的損失達800億歐元，而美國每年早期斷裂造成的損失達1190億美元，其中95%是由于疲勞引起的斷裂。而通過應(yīng)用疲勞耐久性分析技術(shù)，其中的50%是可以避免的，因此許多企業(yè)將疲勞耐久性定為產(chǎn)品質(zhì)量控制的重

4、要指標。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：ANSYS 疲勞分析</p><p><b>　　1.ANSYS概述</b></p><p>　　ANSYS公司成立于1970年，總部位于美國賓夕法尼亞洲的匹茲堡，目前是世界計算機輔助工程(CAE)行業(yè)中最大的公司。ANSYS公司一直致力于分析設(shè)計軟件的開發(fā)、維護及售后服務(wù)，不斷吸取當今世界最新的計算

5、方法和計算機技術(shù)，領(lǐng)導著有限元界的發(fā)展趨勢，并為全球工業(yè)界所廣泛接受，擁有全球最大的用戶群。</p><p>　　ANSYS公司的ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件，可廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學研究。該軟件提供了一個不斷改進的功能清單，具體包括:結(jié)

6、構(gòu)高度非線性分析、電磁分析、計算流體動力分析設(shè)計優(yōu)化、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、大應(yīng)變、有限轉(zhuǎn)動功能以及利用ANSYS參數(shù)設(shè)計語言(APDL)的擴展宏命令功能。基于Motif的菜單系統(tǒng)使用戶能夠通過對話框、下拉式菜單和子菜單進行數(shù)據(jù)輸入和功能選擇，方便用戶操作。在產(chǎn)品設(shè)計中，用戶可以使用ANSYS有限元軟件對產(chǎn)品性能進行仿真分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品問題，降低設(shè)計成本，縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計的成功率。它是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中高級的CAD/CAE軟件之一。

7、</p><p>　　ANSYS有限元分析軟件具有強大的功能，其主要的技術(shù)特點為:唯一能實現(xiàn)多場及多場禍合分析的軟件;唯一實現(xiàn)前后處理、求解及多場分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的一體化大型FEA分析軟件;唯一具有多物理場優(yōu)化功能的FEA軟件;唯一具有中文界面的大型通用有限元分析軟件;具有強大的非線性分析功能;具有使用于不同的問題和硬件配置的多種求解器;支持異種異構(gòu)功能網(wǎng)絡(luò)浮動，在異種、異構(gòu)平臺上支持界面統(tǒng)一，數(shù)據(jù)文件通用;強大的

8、并行計算功能，支持分布式并行和共享內(nèi)存式并行;多種用戶網(wǎng)格劃分技術(shù);完善的用戶開發(fā)環(huán)境同時，ANSYS軟件擁有豐富和完善的單元庫、材料模型庫和求解器，保證了它能高效地求解各類結(jié)構(gòu)的靜力、動力、振動、線性和非有限元法、ANSYS及其二次開發(fā)技術(shù)遼寧工學院碩士論文線性問題，穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析及熱一結(jié)構(gòu)藕荷問題，壓縮和不可壓縮的流體問題。其友好的圖形界面和程序結(jié)構(gòu)，交互式的前后處理和圖形軟件，大大地減輕了用戶在實際工程問題中創(chuàng)建模型、有限元求解

9、以及結(jié)果分析和評價的工作量。它的統(tǒng)一集中式的數(shù)據(jù)庫保證了各模塊之間的有效可靠的集成，并實現(xiàn)了與多個CAD/CAF軟件的友好連接。</p><p>　　ANSYS軟件提供的分析類型如下：</p><p><b>　　(1)結(jié)構(gòu)靜力分析</b></p><p>　　用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)的影響并不顯著

10、的問題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。</p><p>　　(2)結(jié)構(gòu)動力學分析</p><p>　　結(jié)構(gòu)動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。ANSYS可進行的結(jié)構(gòu)動力學分析類型包括：瞬態(tài)動力學分析、模態(tài)分析、

11、諧波響應(yīng)分析及隨機振動響應(yīng)分析。</p><p>　　(3)結(jié)構(gòu)非線性分析</p><p>　　結(jié)構(gòu)非線性導致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。</p><p><b>　　(4)動力學分析</b></p><p>　　ANSYS程

12、序可以分析大型三維柔體運動。當運動的積累影響起主要作用時，可使用這些功能分析復雜結(jié)構(gòu)在空間中的運動特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。</p><p><b>　　(5)熱分析</b></p><p>　　程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導、對流和輻射。熱傳遞的三種類型均可進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能

13、力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱－結(jié)構(gòu)耦合分析能力。</p><p><b>　　(6)電磁場分析</b></p><p>　　主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場分布、磁力線分布、力、運動效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設(shè)計和分析領(lǐng)域。</p><p&g

14、t;　　(7)流體動力學分析</p><p>　　ANSYS流體單元能進行流體動力學分析，分析類型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個節(jié)點的壓力和通過每個單元的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱－流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對流換熱效應(yīng)。</p><p><b>　　(8)聲場分析</b></

15、p><p>　　程序的聲學功能用來研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。這些功能可用來確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂大廳的聲場強度分布，或預(yù)測水對振動船體的阻尼效應(yīng)。</p><p><b>　　(9)壓電分析</b></p><p>　　用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對AC（交流）、DC（直流）或任意隨時間變化的電流或

16、機械載荷的響應(yīng)。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動態(tài)性能分析。可進行四種類型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析。</p><p>　　2.ANSYS在疲勞分析中的應(yīng)用</p><p>　　2.1 ANSYS有限元分析軟件疲勞分析的理論基礎(chǔ)</p><p>　　當材料或結(jié)構(gòu)受到多次重復變化的載荷作用后，在應(yīng)

17、力值雖然始終沒有超過材料的強度極限，甚至比彈性極限還低的情況下就可能發(fā)生破壞。這種在交變載荷持續(xù)作用下材料或結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象，就叫做疲勞破壞。</p><p><b>　　疲勞破壞的特征：</b></p><p>　　材料力學是根據(jù)靜力試驗來確定材料的機械性能（比如彈性極限、屈服極限、強度極限）的，這些機械性能沒有充分反映材料在交變載荷作用下的特性。因此，在交變載荷作用

18、下工作的零件和構(gòu)件，如果還是按靜載荷去設(shè)計，在使用過程中往往就會發(fā)生突如其來的破壞。</p><p>　　疲勞破壞與傳統(tǒng)靜力破壞的本質(zhì)區(qū)別</p><p>　　靜力破壞是一次最大載荷作用下的破壞；疲勞破壞是多次反復載荷作用下產(chǎn)生的破壞，它不是短期內(nèi)發(fā)生的。當靜應(yīng)力小于屈服極限或強度極限時，不會發(fā)生靜力破壞；而交變應(yīng)力在遠小于靜強度極限，甚至小于屈服極限的情況下，疲勞破壞就可能發(fā)生。靜力破壞

19、通常有明顯的塑性變形產(chǎn)生；疲勞破壞通常沒有外在宏觀的顯著塑性變形跡象，即便是塑性良好的金屬，其疲勞破壞形式也象脆性破壞一樣，事先不易覺察出來，這表明疲勞破壞具有更大的危險性。在靜力破壞的斷口上，通常只呈現(xiàn)粗粒狀或纖維狀特征；而在疲勞破壞的斷口上，總是呈現(xiàn)兩個區(qū)域特征，一部分是平滑的，另一部分是粗粒狀或纖維狀。因為疲勞破壞時，首先在某一點（通常接近構(gòu)件表面）產(chǎn)生微小的裂紋，其起點叫“疲勞源”，而裂紋從疲勞源開始，逐漸向四周擴展。由于反復變

20、形，裂開的兩個面時而擠緊，時而松開，這樣反復摩擦，形成一個平滑區(qū)域。在交變載荷繼續(xù)作用下，裂紋逐漸擴展，承載面積逐漸減少，當減少到材料或構(gòu)件的靜強度不足時，就會在某一載荷作用下突然斷裂，其斷裂面呈粗粒狀或纖維狀。靜力破壞的抗力主要取決于材料本身；而疲勞破壞的抗力與材料的組成、構(gòu)件的形狀或尺寸、表面加工狀況、使用條件以及外部工作</p><p>　　在傳統(tǒng)的設(shè)計過程中，設(shè)計人員在概念或詳細設(shè)計階段通常使用簡單而不真

21、實的計算來估計產(chǎn)品的壽命，而對這些估計壽命的驗證通常是通過一定量物理樣機的耐久試驗得到，不但試驗周期長、耗資巨大，而且許多相關(guān)參數(shù)與失效的定量關(guān)系也不可能在試驗中得出，試驗結(jié)論還可能受許多偶然因素的影響。因此對于產(chǎn)品疲勞壽命的仿真分析方法越來越受到產(chǎn)品設(shè)計人員的關(guān)注。</p><p>　　構(gòu)件在循環(huán)加載下產(chǎn)生疲勞破壞所需的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命。高循環(huán)疲勞裂紋形成階段的疲勞性能常以S-N曲線表征,S為應(yīng)力水

22、平,N為疲勞壽命。S-N曲線需通過試驗測定。對試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析后,根據(jù)某一存活率P的安全壽命所繪制的應(yīng)力和安全壽命之間的關(guān)系曲線稱為P-S-N曲線。50%存活率的應(yīng)力和疲勞壽命之間的關(guān)系曲線稱為中值S-N曲線,也簡稱S-N曲線。實踐表明,疲勞壽命分散性較大,因此必須進行統(tǒng)計分析,考慮存活率的問題。具有存活率P(如95%,99%,99.9%)的疲勞壽命Np的含義是:母體(總體)中有P的個體的疲勞壽命大于Np。而破壞概率等于(1-P)。

23、常規(guī)疲勞試驗得到的S-N曲線是P=50%的曲線。為了提高計算效率,開發(fā)了快速計算材料S-N曲線值的軟件。利用ANSYS軟件中的Fatigue Tool工具可以在ANSYS應(yīng)力分析基礎(chǔ)上進行疲勞仿真分析。Fatigue Tool采用廣泛應(yīng)用的應(yīng)力-壽命方法,即以S-N曲線為依據(jù)進行壽命估算的方法,可以直接得到總壽命。ANSYS進行疲勞分析包含3個步驟:材料疲勞性能參數(shù)設(shè)定、疲勞分析與疲勞結(jié)果評估。</p><p>

24、　　ANSYS軟件在這一領(lǐng)域的強大功能為設(shè)計者提供了一種有效預(yù)測疲勞破壞的方法。其功能的強大性主要表現(xiàn)在：</p><p>　　1、獨有高溫、蠕變疲勞分析功能</p><p>　　2、能有效處理塊載荷譜、快速分析旋轉(zhuǎn)載荷作用下的疲勞壽命</p><p>　　3、能有效處理采用PSD的頻域載荷，計算隨機振動情況下的疲勞壽命</p><p>　　

25、4、可仿真復雜的“試驗場”載荷條件</p><p>　　5、可進行焊接部位的疲勞分析</p><p>　　6、可考慮殘余應(yīng)力對疲勞壽命的影響</p><p>　　應(yīng)用以上功能，ANSYS程序處理所得的應(yīng)力結(jié)果可以確定任意單元和殼體單元模型疲勞壽命耗用系數(shù)；可以在一系列預(yù)先選定的位置上確定一定數(shù)目事件及組成這些事件的載荷（一個應(yīng)力狀態(tài)），然后把這些位置上的應(yīng)力儲存起來

26、；可以在每一個選定的位置上定義應(yīng)力集中系數(shù)和給每一個應(yīng)力循環(huán)定義比例系數(shù)。事實證明應(yīng)用ANSYS對結(jié)構(gòu)進行疲勞分析可以有效避免偶然事件/載荷造成的大多數(shù)疲勞破壞。</p><p>　　隨著科技的不斷進步，ANSYS 也在不斷的發(fā)展。美國ANSYS公司與英國安全技術(shù)公司（SAFE TECHNOLOGY LIMITED）緊密合作開發(fā)出了ANSYS/FE-SAFE—進行結(jié)構(gòu)疲勞耐久性分析的專用軟件。在軟件開發(fā)過程中，每

27、年投資數(shù)百萬美元用于研發(fā)，并進行了參數(shù)實驗和實際結(jié)構(gòu)件的試驗驗證。</p><p>　　在產(chǎn)品設(shè)計階段使用ANSYS/FE-SAFE，可在物理樣機制造之前進行疲勞分析和優(yōu)化設(shè)計，真實地預(yù)測產(chǎn)品的壽命，實現(xiàn)等壽命周期設(shè)計。設(shè)計階段的耐久性分析可以顯著縮短產(chǎn)品推向市場的時間、提高產(chǎn)品可靠性，極大地降低制造物理樣機和進行耐久性試驗所帶來的巨額研發(fā)費用。ANSYS/FE-SAFE耐久性分析技術(shù)可廣泛應(yīng)用于從空間站、飛機發(fā)

28、動機到汽車、火車；從空調(diào)、洗衣機等家電產(chǎn)品到電子通訊系統(tǒng)；從艦船到石化設(shè)備；從內(nèi)燃機、核能、電站設(shè)備到通用機械等各個領(lǐng)域。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 張立新，徐長航，陳江榮等．ANSYS7.0基礎(chǔ)教程．機械工業(yè)出版社 </p><p>　　[2] 陳曉霞．ANSYS7.0高級分析．機械工業(yè)出版社

29、</p><p>　　[3] 張亞鷗，古志飛，宋勇． ANSYS7.0有限元分析實用教程 ．清華大學出版社</p><p>　　[4] 黃康，仰榮德. 基于ANSYS的汽車橫向穩(wěn)定桿疲勞分析. 機械設(shè)計,2008.12</p><p>　　[5] 吳勝軍，徐友良．基于ANSYS汽車變速箱主軸的疲勞分析．石油機械，2005.03</p><p>

30、;　　[6] 楊紅霞．ANSYS在鐵路機車仿真疲勞分析的應(yīng)用．拖拉機與農(nóng)用運輸車，2008.05</p><p>　　[7] 江迎春，陳無畏．基于ANSYS的轎車轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞壽命分析．汽車科技，2008.05</p><p>　　[8] 王亦凌，李建明．套管鉆井中套管柱疲勞壽命分析方法．鉆采工藝，2008. 03</p><p>　　[9] 倪向貴,李新亮．鋼制球罐有

31、限元疲勞分析設(shè)計．中國科學技術(shù)大學學報，2008,02 </p><p>　　[10] 張康武,李正球,侯軍明．等徑三通管脹形時壁厚影響因素的研究[J]．重型機械，2007.1</p><p>　　[11] 王亦凌，李建明．基于 ANSYS的球形壓力容器的結(jié)構(gòu)強度可靠性分析[J]．化工裝備技術(shù),2007,4</p><p>　　[12] 李世彪，李建平．基于 A

32、NSYS的唐氏螺紋強度分析[J]．機械工程于自動化，2008,4</p><p>　　[13] 鄒國輝，宋德朝．基于ANSYS 的裝載機工作裝置動臂應(yīng)力分析[J]．機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008,11</p><p>　　[14] 李明，鄭建校，張平．基于APDL的裝載機工作裝置拉桿可靠性分析[J]．機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008,11</p><p>　　[15] 李

33、會勛，胡迎春，張建中．利用 ANSYS模擬螺栓預(yù)緊力的研究[J]．山東科技大學學報，2006,3</p><p>　　[17] Jie LI , Hua-ming CHEN , Jian-bing CHEN．Reliability Analysis of Prestressed Egg-shaped Digester [J], European Conference on Computational Mechan

34、ics Solids, Structures and Coupled Problems in Engineering C.A. Mota Soares et al. (eds.),2006,5</p><p>　　[18] XU Jing-jing , WANG Zhi-ling , SHAO Ren-xing , WU Yi-min．Evaluation of the Formula of Stre

35、ss Intensity Factor K1 for Semi-Elliptical Surface Crack [J]．Journal of Shanghai University,2000,8</p><p>　　[19] Dr.Wenchao Zhang,Justin Tuohy ，A THREE-DIMENSIONAL FINITE ELEMENT ANALYSIS OF UNBURIED FLEX