ansys概述及其在結(jié)構(gòu)疲勞分析中的應(yīng)用文獻(xiàn)綜述_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

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(jì)一體化腳步的加快,國(guó)內(nèi)外的制造業(yè)面臨著日益激烈的競(jìng)爭(zhēng),尤其是中國(guó)加入WTO后,中國(guó)參與世界競(jìng)爭(zhēng),國(guó)外制造業(yè)沖擊中國(guó)市場(chǎng),我國(guó)制造業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。因此,實(shí)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(jìng)爭(zhēng)力的必然選擇。</p

2、><p>  ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)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(guó)ANSYS開(kāi)發(fā),它能與多數(shù)CAD軟件接口,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換, 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。</p><p>  企業(yè)的產(chǎn)品投放市場(chǎng)后,如果在耐久性方面出現(xiàn)問(wèn)題將會(huì)造成許多新產(chǎn)品失去競(jìng)爭(zhēng)力,給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失,同時(shí)又使企業(yè)形象蒙受巨大的負(fù)面

3、影響。在中國(guó),由于疲勞耐久性與可靠性不過(guò)關(guān)造成的產(chǎn)品問(wèn)題更是普遍存在,是國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品缺乏國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的最重要因素之一。國(guó)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(bào)廢,由于疲勞破壞而造成的惡性事故也時(shí)有出現(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì),歐洲每年早期斷裂造成的損失達(dá)800億歐元,而美國(guó)每年早期斷裂造成的損失達(dá)1190億美元,其中95%是由于疲勞引起的斷裂。而通過(guò)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(biāo)。 </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(guó)賓夕法尼亞洲的匹茲堡,目前是世界計(jì)算機(jī)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(jì)軟件的開(kāi)發(fā)、維護(hù)及售后服務(wù),不斷吸取當(dāng)今世界最新的計(jì)算

5、方法和計(jì)算機(jī)技術(shù),領(lǐng)導(dǎo)著有限元界的發(fā)展趨勢(shì),并為全球工業(yè)界所廣泛接受,擁有全球最大的用戶(hù)群。</p><p>  ANSYS公司的ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)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(jī)械制造、能源、汽車(chē)交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件提供了一個(gè)不斷改進(jìn)的功能清單,具體包括:結(jié)

6、構(gòu)高度非線(xiàn)性分析、電磁分析、計(jì)算流體動(dòng)力分析設(shè)計(jì)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(dòng)功能以及利用ANSYS參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言(APDL)的擴(kuò)展宏命令功能?;贛otif的菜單系統(tǒng)使用戶(hù)能夠通過(guò)對(duì)話(huà)框、下拉式菜單和子菜單進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和功能選擇,方便用戶(hù)操作。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,用戶(hù)可以使用ANSYS有限元軟件對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行仿真分析,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品問(wèn)題,降低設(shè)計(jì)成本,縮短設(shè)計(jì)周期,提高設(shè)計(jì)的成功率。它是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中高級(jí)的CAD/CAE軟件之一。

7、</p><p>  ANSYS有限元分析軟件具有強(qiáng)大的功能,其主要的技術(shù)特點(diǎn)為:唯一能實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)及多場(chǎng)禍合分析的軟件;唯一實(shí)現(xiàn)前后處理、求解及多場(chǎng)分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的一體化大型FEA分析軟件;唯一具有多物理場(chǎng)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(qiáng)大的非線(xiàn)性分析功能;具有使用于不同的問(wèn)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(dòng),在異種、異構(gòu)平臺(tái)上支持界面統(tǒng)一,數(shù)據(jù)文件通用;強(qiáng)大的

8、并行計(jì)算功能,支持分布式并行和共享內(nèi)存式并行;多種用戶(hù)網(wǎng)格劃分技術(shù);完善的用戶(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境同時(shí),ANSYS軟件擁有豐富和完善的單元庫(kù)、材料模型庫(kù)和求解器,保證了它能高效地求解各類(lèi)結(jié)構(gòu)的靜力、動(dòng)力、振動(dòng)、線(xiàn)性和非有限元法、ANSYS及其二次開(kāi)發(fā)技術(shù)遼寧工學(xué)院碩士論文線(xiàn)性問(wèn)題,穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析及熱一結(jié)構(gòu)藕荷問(wèn)題,壓縮和不可壓縮的流體問(wèn)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(hù)在實(shí)際工程問(wèn)題中創(chuàng)建模型、有限元求解

9、以及結(jié)果分析和評(píng)價(jià)的工作量。它的統(tǒng)一集中式的數(shù)據(jù)庫(kù)保證了各模塊之間的有效可靠的集成,并實(shí)現(xiàn)了與多個(gè)CAD/CAF軟件的友好連接。</p><p>  ANSYS軟件提供的分析類(lèi)型如下:</p><p><b>  (1)結(jié)構(gòu)靜力分析</b></p><p>  用來(lái)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(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不顯著

10、的問(wèn)題。ANSYS程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線(xiàn)性分析,而且也可以進(jìn)行非線(xiàn)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(dòng)力學(xué)分析</p><p>  結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析用來(lái)求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同,動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。ANSYS可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類(lèi)型包括:瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、

11、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。</p><p>  (3)結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性分析</p><p>  結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性導(dǎo)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(xiàn)性問(wèn)題,包括材料非線(xiàn)性、幾何非線(xiàn)性和單元非線(xiàn)性三種。</p><p><b>  (4)動(dòng)力學(xué)分析</b></p><p>  ANSYS程

12、序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的積累影響起主要作用時(shí),可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)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(lèi)型:傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞的三種類(lèi)型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線(xiàn)性和非線(xiàn)性分析。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過(guò)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(chǎng)分析</b></p><p>  主要用于電磁場(chǎng)問(wèn)題的分析,如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場(chǎng)分布、磁力線(xiàn)分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線(xiàn)管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無(wú)損檢測(cè)裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。</p><p&g

14、t;  (7)流體動(dòng)力學(xué)分析</p><p>  ANSYS流體單元能進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析,分析類(lèi)型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過(guò)每個(gè)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(duì)流換熱效應(yīng)。</p><p><b>  (8)聲場(chǎng)分析</b></

15、p><p>  程序的聲學(xué)功能用來(lái)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(dòng)態(tài)特性。這些功能可用來(lái)確定音響話(huà)筒的頻率響應(yīng),研究音樂(lè)大廳的聲場(chǎng)強(qiáng)度分布,或預(yù)測(cè)水對(duì)振動(dòng)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(duì)AC(交流)、DC(直流)或任意隨時(shí)間變化的電流或

16、機(jī)械載荷的響應(yīng)。這種分析類(lèi)型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析。可進(jìn)行四種類(lèi)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(dāng)材料或結(jié)構(gòu)受到多次重復(fù)變化的載荷作用后,在應(yīng)

17、力值雖然始終沒(méi)有超過(guò)材料的強(qiáng)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(xué)是根據(jù)靜力試驗(yàn)來(lái)確定材料的機(jī)械性能(比如彈性極限、屈服極限、強(qiáng)度極限)的,這些機(jī)械性能沒(méi)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(jì),在使用過(guò)程中往往就會(huì)發(fā)生突如其來(lái)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(fù)載荷作用下產(chǎn)生的破壞,它不是短期內(nèi)發(fā)生的。當(dāng)靜應(yīng)力小于屈服極限或強(qiáng)度極限時(shí),不會(huì)發(fā)生靜力破壞;而交變應(yīng)力在遠(yuǎn)小于靜強(qiáng)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(méi)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(jué)察出來(lái),這表明疲勞破壞具有更大的危險(xiǎn)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(gè)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?yàn)槠谄茐臅r(shí),首先在某一點(diǎn)(通常接近構(gòu)件表面)產(chǎn)生微小的裂紋,其起點(diǎn)叫“疲勞源”,而裂紋從疲勞源開(kāi)始,逐漸向四周擴(kuò)展。由于反復(fù)變

20、形,裂開(kāi)的兩個(gè)面時(shí)而擠緊,時(shí)而松開(kāi),這樣反復(fù)摩擦,形成一個(gè)平滑區(qū)域。在交變載荷繼續(xù)作用下,裂紋逐漸擴(kuò)展,承載面積逐漸減少,當(dāng)減少到材料或構(gòu)件的靜強(qiáng)度不足時(shí),就會(huì)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(jì)過(guò)程中,設(shè)計(jì)人員在概念或詳細(xì)設(shè)計(jì)階段通常使用簡(jiǎn)單而不真

21、實(shí)的計(jì)算來(lái)估計(jì)產(chǎn)品的壽命,而對(duì)這些估計(jì)壽命的驗(yàn)證通常是通過(guò)一定量物理樣機(jī)的耐久試驗(yàn)得到,不但試驗(yàn)周期長(zhǎng)、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(yàn)中得出,試驗(yàn)結(jié)論還可能受許多偶然因素的影響。因此對(duì)于產(chǎn)品疲勞壽命的仿真分析方法越來(lái)越受到產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(chēng)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(xiàn)表征,S為應(yīng)力水

22、平,N為疲勞壽命。S-N曲線(xiàn)需通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(xiàn)稱(chēng)為P-S-N曲線(xiàn)。50%存活率的應(yīng)力和疲勞壽命之間的關(guān)系曲線(xiàn)稱(chēng)為中值S-N曲線(xiàn),也簡(jiǎn)稱(chēng)S-N曲線(xiàn)。實(shí)踐表明,疲勞壽命分散性較大,因此必須進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,考慮存活率的問(wèn)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(gè)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(yàn)得到的S-N曲線(xiàn)是P=50%的曲線(xiàn)。為了提高計(jì)算效率,開(kāi)發(fā)了快速計(jì)算材料S-N曲線(xiàn)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(jìn)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(xiàn)為依據(jù)進(jìn)行壽命估算的方法,可以直接得到總壽命。ANSYS進(jìn)行疲勞分析包含3個(gè)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(píng)估。</p><p>

24、  ANSYS軟件在這一領(lǐng)域的強(qiáng)大功能為設(shè)計(jì)者提供了一種有效預(yù)測(cè)疲勞破壞的方法。其功能的強(qiáng)大性主要表現(xiàn)在:</p><p>  1、獨(dú)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(jì)算隨機(jī)振動(dòng)情況下的疲勞壽命</p><p>  

25、4、可仿真復(fù)雜的“試驗(yàn)場(chǎng)”載荷條件</p><p>  5、可進(jìn)行焊接部位的疲勞分析</p><p>  6、可考慮殘余應(yīng)力對(duì)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(gè)應(yīng)力狀態(tài)),然后把這些位置上的應(yīng)力儲(chǔ)存起來(lái)

26、;可以在每一個(gè)選定的位置上定義應(yīng)力集中系數(shù)和給每一個(gè)應(yīng)力循環(huán)定義比例系數(shù)。事實(shí)證明應(yīng)用ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)步,ANSYS 也在不斷的發(fā)展。美國(guó)ANSYS公司與英國(guó)安全技術(shù)公司(SAFE TECHNOLOGY LIMITED)緊密合作開(kāi)發(fā)出了ANSYS/FE-SAFE—進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞耐久性分析的專(zhuān)用軟件。在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中,每

27、年投資數(shù)百萬(wàn)美元用于研發(fā),并進(jìn)行了參數(shù)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際結(jié)構(gòu)件的試驗(yàn)驗(yàn)證。</p><p>  在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段使用ANSYS/FE-SAFE,可在物理樣機(jī)制造之前進(jìn)行疲勞分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),真實(shí)地預(yù)測(cè)產(chǎn)品的壽命,實(shí)現(xiàn)等壽命周期設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)階段的耐久性分析可以顯著縮短產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間、提高產(chǎn)品可靠性,極大地降低制造物理樣機(jī)和進(jìn)行耐久性試驗(yàn)所帶來(lái)的巨額研發(fā)費(fèi)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(jī)發(fā)

28、動(dòng)機(jī)到汽車(chē)、火車(chē);從空調(diào)、洗衣機(jī)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(jī)、核能、電站設(shè)備到通用機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域。</p><p><b>  參考文獻(xiàn)</b></p><p>  [1] 張立新,徐長(zhǎng)航,陳江榮等.ANSYS7.0基礎(chǔ)教程.機(jī)械工業(yè)出版社 </p><p>  [2] 陳曉霞.ANSYS7.0高級(jí)分析.機(jī)械工業(yè)出版社

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