基于ANSYS二次开发的结构疲劳寿命与破坏概率可视化技术
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摘要
疲劳破坏是工程结构和机械失效的主要原因之一,据统计约有50-90%的机械结构的破坏属于疲劳破坏,引起疲劳失效的循环载荷的峰值往往远远小于根据静态断裂分析估算出来的“安全载荷”,产品的疲劳寿命是现代设计中一个重要指标,疲劳分析在结构设计中占有重要的地位。
本文针对ANSYS疲劳分析的不足,利用ANSYS提供的参数化程序设计语言(APDL)、用户界面设计语言(UIDL)和二次开发专用语言(TCL/TK),对ANSYS进行二次开发,开发出了与ANSYS界面风格一致的FatigueTool程序模块。
首先,对有限元模型进行应力分析,应用三峰谷计数法对载荷谱进行循环计数,结合材料的S-N曲线和Miner累积损伤理论,估算疲劳寿命,以叉车为计算模型,实现其全场的寿命可视化;其次,出于有限元分析对大量的时域信号处理困难的考虑,本文采用基于频域的功率谱密度法(P.S.D法)计算随机振动下构件的疲劳寿命,并结合导弹吊挂的算例,实现寿命可视化;再者,针对Miner线形累积准则的不足,考虑载荷加载的顺序效应和累积损伤统计分散性,结合汽车前轴的算例,计算出疲劳累积破坏概率,实现其全场的可视化,从另一个侧面来反映载荷对构件造成的疲劳破坏;最后,借助试验设计中拉丁超立方抽样和响应面近似模型技术,构造出目标函数和约束条件,采用主要目标法,结合飞机起落架中扭力臂的算例,开发出参数化建模程序,实现对零件的基于寿命的结构优化设计。
实例计算表明,本文基于ANSYS二次开发的FatigueTool模块能够很好的应用于实际,程序是成功的有效的。
Fatigue rupture is the main cause of mechanical failure in engineering structure and mechanism. According to survey, about 50-90% of the mechanical failure is fatigue rupture. The peak value of cyclic loading which brings fatigue rupture is always far less than the safe loading predicted by static analysis Fatigue life is one of the most important guideline in modern production design, and it also plays an important role in structure design.
Considering the limitation of fatigue analysis in ANSYS, ANSYS APDL(Parametric Design Language)、UIDL (User Interface Design Language) and TCL/TK (Tool Command Language) are used to make secondary development in ANSYS. The FatigueTool module is developed, which can be used to predict fatigue life and realize the visualization of fatigue life.
First of all, the finite element model of forklift is made stress analysis, the "Three peaks and valleys" method is used in counting the loop number, fatigue life is predicted with the S-N curve of material and Miner damage cumulative rule, and then the visualization of "entire field" fatigue life is carried out. Secondly, because of difficult of dealing with much time domain signal with FEA, the method based on power spectral density is used to predict the fatigue life of the pothook for X-typed air-air missile. Once more, aim at shortage of Miner linear damage cumulative rules, considering the order effect load spectrum and statistical dispersibility of damage cumulative, a method is used to calculate the failure probability. Finally, a strategy of anti-fatigue optimum design based on design of experiment (DOE) and response surface model (RSM) is proposed, object function and constraint condition is constructed, with the main object method, the structure-life optimization of the undercarriage force-arm for Y-typed fighter is carried out.
The present examples show that the developed FaitgueTool module is effective and useful.
本文针对ANSYS疲劳分析的不足,利用ANSYS提供的参数化程序设计语言(APDL)、用户界面设计语言(UIDL)和二次开发专用语言(TCL/TK),对ANSYS进行二次开发,开发出了与ANSYS界面风格一致的FatigueTool程序模块。
首先,对有限元模型进行应力分析,应用三峰谷计数法对载荷谱进行循环计数,结合材料的S-N曲线和Miner累积损伤理论,估算疲劳寿命,以叉车为计算模型,实现其全场的寿命可视化;其次,出于有限元分析对大量的时域信号处理困难的考虑,本文采用基于频域的功率谱密度法(P.S.D法)计算随机振动下构件的疲劳寿命,并结合导弹吊挂的算例,实现寿命可视化;再者,针对Miner线形累积准则的不足,考虑载荷加载的顺序效应和累积损伤统计分散性,结合汽车前轴的算例,计算出疲劳累积破坏概率,实现其全场的可视化,从另一个侧面来反映载荷对构件造成的疲劳破坏;最后,借助试验设计中拉丁超立方抽样和响应面近似模型技术,构造出目标函数和约束条件,采用主要目标法,结合飞机起落架中扭力臂的算例,开发出参数化建模程序,实现对零件的基于寿命的结构优化设计。
实例计算表明,本文基于ANSYS二次开发的FatigueTool模块能够很好的应用于实际,程序是成功的有效的。
Fatigue rupture is the main cause of mechanical failure in engineering structure and mechanism. According to survey, about 50-90% of the mechanical failure is fatigue rupture. The peak value of cyclic loading which brings fatigue rupture is always far less than the safe loading predicted by static analysis Fatigue life is one of the most important guideline in modern production design, and it also plays an important role in structure design.
Considering the limitation of fatigue analysis in ANSYS, ANSYS APDL(Parametric Design Language)、UIDL (User Interface Design Language) and TCL/TK (Tool Command Language) are used to make secondary development in ANSYS. The FatigueTool module is developed, which can be used to predict fatigue life and realize the visualization of fatigue life.
First of all, the finite element model of forklift is made stress analysis, the "Three peaks and valleys" method is used in counting the loop number, fatigue life is predicted with the S-N curve of material and Miner damage cumulative rule, and then the visualization of "entire field" fatigue life is carried out. Secondly, because of difficult of dealing with much time domain signal with FEA, the method based on power spectral density is used to predict the fatigue life of the pothook for X-typed air-air missile. Once more, aim at shortage of Miner linear damage cumulative rules, considering the order effect load spectrum and statistical dispersibility of damage cumulative, a method is used to calculate the failure probability. Finally, a strategy of anti-fatigue optimum design based on design of experiment (DOE) and response surface model (RSM) is proposed, object function and constraint condition is constructed, with the main object method, the structure-life optimization of the undercarriage force-arm for Y-typed fighter is carried out.
The present examples show that the developed FaitgueTool module is effective and useful.
引文
[1] S.Suresh著,王中光等译.材料的疲劳.北京:国防工业出版社.1993
[2] K.J.Miller.A historical perspective of the important parameters of metal fatigue and problems for the next century ,In:Fatigue99,edited by X.R.Wu and .G.Wang.Beijing,1999,Vol(1),15~39
[3] Miner M.A. Cumulative damage in fatigue. Journal of Applied Mechanics,1945,12:159~164
[4] Coffin L F.A study of the effects of cyclic thermal stresses on a ductile metal.Transactions of the American Society of Mechanical Engineers,1954,76:931~950
[5] Manson S S.Behaviour of materials under condition of thermal stress.NACA TN-2933,1954
[6]李黎明.ANSYS有限元分析实用教程,清华大学出版社,2005
[7]梁永超,基于ANSYS程序二次开发的导管架平台结构分析.中国海洋大学,2004
[8]尹柏生.有限元分析系统得发展现状与展望. http://www.simwe.com,2004,5
[9] Ted Belytschko,Wing Kam Liu,Brian Moran.连续体和结构的非线性有限元.北京:清华大学出版社,2002,12.6
[10]博奕创作室.APDL参数化有限元分析技术及其应用实例.北京:中国水利水电出社,2004.
[11]ANSYS,Inc.The APDL Programme’s Guide.ANSYS Data.
[12]ANSYS,Inc.The UIDL Programme’s Guide.ANSYS Data.
[13]张波,盛和太.ANSYS有限元数值分析原理与工程.北京:清华大学出版社,2005.
[14]Brent B.Welch, Tcl/Tk编程权威指南.崔凯译.北京:中国电力出版社,2002.
[15]马文刚,孟庆峰,王慧东.基于ANSYS二次开发的连续刚构桥建模技术.国防交通工程与技术,2006(1),19～22
[16]徐中民,王纳秀.基于Tcl/Tk语言的经典ANSYS软件用户界面的二次开发. 2006年安世亚太用户年会论文
[17]http://www.padtinc.com/support/ansys/tcltk/from_news.pdf. Tcl/Tk Puts a New Face on ANSYS
[18]http://www.padtinc.com/support/training/course.asp?c=802. Tcl/Tk for ANSYS
[19]李明,梁力,张道明,董天文.基于ANSYS软件平台的筏板基础设计程序开发技术.2006年安世亚太用户年会论文
[20]毕朝锐,网架结构疲劳载荷谱的可视化研究.太原理工大学,2003
[21]S.D.Downing and D.F.Socie.Simple rainflow counting algorithms. INT.J.FATIGUE1982:31～39
[22]董乐义,罗俊,程礼.雨流计数法及其在程序中的具体实现.计算机技术与应用,2004,24(3):38～40
[23]周传月,郑红霞,罗慧强等.MSC.Fatigue疲劳分析应用与实例.北京:科学出版社,2005
[24]姚卫星.结构疲劳寿命分析.北京:国防工业出版社,2003
[25]Bishop N W M.The Use of Frequency Domain Parameters to Predict Structural Fatigue.Ph.D.Thesis,University of Warwick,UK,1988.
[26]张积亭,周苏枫.飞机典型构件振动疲劳寿命分析.机械科学与技术. 2002,21(增刊)
[27]骆红云,王松,魏德永,王学义.汽车构件疲劳寿命功率谱预测法.农业机械学报,2001 32(4)
[28]刘士华,赵德胜.ANSYS在钢架结构随机振动分析中的应用.机械工程.2004 31(4)
[29]沈海军,郭万林,李海军.基于结构疲劳寿命可视化的虚拟疲劳设计.中国机械工程,2003,14(11)930～932
[30]王弘,高庆.40Cr钢超高周疲劳性能及疲劳断口分析.中国铁道科学,2003,24(6):93～98
[31]樊晓燕,吴兹判,童忠钫.机械零部件疲劳载荷谱编制.机电工程,1994(2),23～27
[32]王浩文. X训练弹吊挂应力水平计算报告. 2006.8
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[34]丁群,郑晓阳,谢基龙.谱载荷下疲劳寿命的累积破坏率法研究.力学与实践,2000(22)卷:22～24
[35]补春燕,邓显斌.汽车前轴断裂失效分析及改进.重庆重汽科技,2006(2):10～15
[36]朱帅,钱立军.基于ANSYS的前桥刚度分析.机械研究与应用,2007,20(2):44～45
[37]刘永超,谷莉,刘道勇.某载货车前轴有限元分析.2002年MSC.Software中国用户论文集
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[39]姚卫星,顾怡.结构可靠性设计.北京:航空工业出版社,1997
[40]袁丁,陈仕刚,张勇.重型汽车前轴梁有限元分析.重庆重汽科技,2004(3):2～5
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[45]罗世彬,罗文彩,王振国.基于试验设计和响应面近似的高超声速巡航飞行器多学科设计优化.导弹与航天运载技术,2003(6):2～9
[46]朱凤志.四连杆机构参数的优化目标及主要目标法.煤矿开采,1997(2):49～51
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[48]龙凤鸣,张鸿元.飞机起落架扭力臂变行程疲劳试验技术研究与实践.航空学报,1993,14(10):B503～B505
[49]张洪伟,张以都,王锡平,周慎杰.基于ANSYS参数化建模的农用车车架优化设计.农业机械学报,2007,38(3):35～38
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