Fatigue_ANSYS疲劳分析

Fatigue_ANSYS疲劳分析
Fatigue_ANSYS疲劳分析

Fatigue Analysis Using ANSYS

D. Alfred Hancq, Ansys Inc.

Contents

1) Introduction

2) Overview of Capabilities

3) Typical Use Cases

4) Additional Fatigue Resources

1. Introduction

It is estimated that 50-90% of structural failure is due to fatigue, thus there is a need for quality fatigue design tools. However, at this time a fatigue tool is not available which provides both flexibility and usefulness comparable to other types of analysis tools. This is why many designers and analysts use "in-house" fatigue programs which cost much time and money to develop. It is hoped that these designers and analysts, given a proper library of fatigue tools could quickly and accurately conduct a fatigue analysis suited to their needs.

The focus of fatigue in ANSYS is to provide useful information to the design engineer when fatigue failure may be a concern. Fatigue results can have a convergence attached. A stress-life approach has been adopted for conducting a fatigue analysis. Several options such as accounting for mean stress and loading conditions are available.

2. Capabilities

A fatigue analysis can be separated into 3 areas: materials, analysis, and results evaluation. Each area will be discussed in more detail below:

2.1 Materials

A large part of a fatigue analysis is getting an accurate description of the fatigue material properties. Since fatigue is so empirical, sample fatigue curves are included only for structural steel and aluminum materials. These properties are included as a guide only with intent for the user to provide his/her own fatigue data for more accurate analysis. In the case of assemblies with different materials, each part will use its own fatigue material properties just as it uses its own static properties (like modulus of elasticity).

2.1.1 Stress-life Data Options/Features

? Fatigue material data stored as tabular alternating stress vs. life points.? The ability to define mean stress dependent or multiple r-ratio curves if the data is available.

? Options to have log-log, semi-log, or linear interpolation.

? Ability to graphically view the fatigue material data

? The fatigue data is saved in XML format along with the other static material data.

? Figure 1 is a screen shot showing a user editing fatigue data in ANSYS.

Figure 1: Editing SN curves in ANSYS

2.2 Analysis

Fatigue results can be added before or after a stress solution has been performed. To create fatigue results, a fatigue tool must first be inserted into the tree. This can be done through the solution toolbar or through context menus. The details view of the fatigue tool is used to define the various aspects of a fatigue analysis such as loading type, handling of mean stress effects and more. As seen in Figure 2, a graphical representation of the loading and mean stress effects is displayed when a fatigue tool is selected by the user. This can be very useful to help a novice understand the fatigue loading and possible effects of a mean stress.

Figure 2: Fatigue tool information page in ANSYS

2.2.1 Loading

Fatigue, by definition, is caused by changing the load on a component over time. Thus, unlike the static stress safety tools, which perform calculations for a single stress, fatigue damage occurs when the stress at a point changes over time. ANSYS can perform fatigue calculations for either constant amplitude loading or proportional non-constant amplitude loading. A scale factor can be applied to the base loading if desired. This option, located under the “Loading” section in the details view, is useful to see the effects of different finite element load magnitudes without having to re-run the stress analysis.

? Constant amplitude, proportional loading: This is the classic, “back

of the envelope” calculation. Loading is of constant amplitude because

only 1 set of finite element stress results along with a loading ratio is required to calculate the alternating and mean stress. The loading ratio is defined as the ratio of the second load to the first load (LR = L2/L1).

Loading is proportional since only 1 set of finite element stress results is needed (principal stress axes do not change over time). No cumulative damage calculations need to be done. Common types of constant

amplitude loading are fully reversed (apply a load then apply an equal and opposite load; a load ratio of –1) and zero-based (apply a load then remove it; a load ratio of 0). Fully reversed, zero-based, or a specified loading ratio can be defined in the details view under the “Loading”

section.

? Non-constant amplitude, proportional loading: In this case, again only 1 set of results are needed, however instead of using a single load ratio to calculate the alternating and mean stress, the load ratio varies over time. Think of this as coupling an FEM analysis with strain-gauge results collected over a given time interval. Cumulative damage

calculations including cycle counting and damage summation need to be done. A rainflow cycle counting method is used to identify stress

reversals and Miner’s rule is used to perform the damage summation.

The load scaling comes from an external data file provided by the user, (such as the one in Figure 3) and is simply a list of scale factors.

Figure 3: Chart of loading history

Several sample load histories can be found in the “Load Histories” directory under the “Engineering Data” folder. Setting the loading type to “History Data” in the fatigue tool details view specifies non-constant amplitude loading. Several analysis options are available for non-constant amplitude loading. Since rainflow counting is used, using a “quick counting” technique substantially reduces runtime and memory. In quick counting, alternating and mean stresses are sorted into bins before partial damage is calculated. Without quick counting, the data is not sorted into bins until after

partial damages are found. The

accuracy of quick counting is

usually very good if a proper

number of bins is used when

counting. The default setting for

the number of bins can be set in

the Control Panel. Turning off

quick counting is not

recommended and in fact is not

a documented feature. To allow

quick counting to be turned off, set the variable “AllowQuickCounting” to 1 in the Variable Manager. Another available option when conducting a variable amplitude fatigue analysis is the ability to set the value used for infinite life. In constant amplitude loading, if the alternating stress is lower than the lowest alternating stress on the fatigue curve, ANSYS will use the life at the last point. This provides for an added level of safety because many materials do not exhibit an endurance limit. However, in non-constant amplitude loading, cycles with very small alternating stresses may be present and may incorrectly predict too much damage if the number of the small stress cycles is high enough. To help control this, the user can set the infinite life value that will be used if the alternating stress is beyond the limit of the SN curve. Setting a higher value will make small stress cycles less damaging if they occur many times. The rainflow and damage matrix results can be helpful in determining the effects of small stress cycles in your loading history. The rainflow and damage matrices shown in Figure 4 illustrate the possible effects of infinite life. Both damage matrices came from the same loading (and thus same rainflow matrix), but the first damage matrix was calculated with an infinite life if 1e6 cycles and the second was calculated with an infinite life of 1e9 cycles.

Rainflow matrix for a

history.

load

given

Damage matrix with an infinite

life of 1e6 cycles. Total damage

is calculated to be .19 .

Damage matrix with an

infinite life of 1e9 cycles.

Total damage is calculated

to be .12 (37% less damage)

Figure 4: Effect of infinite life on fatigue damage

2.2.2 Load Effects

Fatigue material tests are usually conducted in a uniaxial loading under a fixed or zero mean stress state. It is cost-prohibitive to conduct experiments that capture all mean stress, loading, and surface conditions. Thus, empirical relations are available if the fatigue data is not.

? Mean Stress correction. If the loading is other than fully reversed, a mean stress exists and should be accounted for. Methods for handling mean stress effects can be found in the “Options” section.

If experimental data at

different mean stresses or r-

ratio’s exist, mean stress can

be accounted for directly

through interpolation between

material curves. If

experimental data is not

available, several empirical

options may be chosen

including Gerber, Goodman

and Soderberg theories which

use static material properties

(yield stress, tensile strength)

along with S-N data to account for any mean stress. In general, most

experimental data fall between the Goodman and Gerber theories with the Soderberg theory usually being over conservative. The Goodman theory can be a good choice for brittle materials with the Gerber theory usually a good choice for ductile materials. As can be seen from the

screen shots in Figure 5, the Gerber theory treats negative and positive mean stresses the same whereas Goodman and Soderberg do not apply any correction for negative mean stresses. This is because although a compressive mean stress can retard fatigue crack growth, ignoring a

negative mean is usually more conservative. The selected mean stress theory is shown graphically in the display window as seen below. Note that if an empirical mean stress theory is chosen and multiple SN curves are defined, any mean stresses that may exist will be ignored when

querying the material data since an empirical theory was chosen. Thus if you have multiple r-ratio SN curves and use the Goodman theory, the SN curve at r=-1 will be used. In general it is not advisable to use an

empirical mean stress theory if multiple mean stress data exists.

Figure 5: The chosen mean stress theory is illustrated in the graphics window

? Multiaxial Stress Correction . Experimental test data is uniaxial whereas stresses are usually multiaxial. At some point stress must be

converted from a multiaxial stress state to a uniaxial one. Von-Mises, Max shear, Maximum principal stress, or any of the component stresses can be used as the uniaxial stress value. In addition, a “signed” Von-

Mises stress may be chosen where the Von-Mises stress takes the sign of the largest absolute principal stress. This is useful to identify any compressive mean stresses since several of the mean stress theories treat

positive and negative mean stresses differently. Setting the “Stress

Component” is done in the Options section in the fatigue tool detail view.

2.2.3 Miscellaneous Analysis options

Fatigue material property tests are usually conducted under very specific and controlled conditions (eg. axial loading, polished specimens, .5 inch gauge diameter). If the service part conditions differ from as tested, modification factors can be applied to try to account for the difference. The fatigue alternating stress is usually divided by this modification factor and can be found in design handbooks. (Dividing the alternating stress is equivalent to multiplying the fatigue strength by K f.) The fatigue strength reduction factor is defined by setting “Fatigue Strength Factor (K f)” in the details view for the fatigue tool. Note that this factor is applied to the alternating stress only and does not affect the mean stress.

2.3 Results Output

Several results for evaluating fatigue are available to the user. Some are contour plots of a specific result over the model while others give information about the most damaged point in the model(or the most damage, factor of safety, stress biaxiality, fatigue sensitivity, rainflow matrix, and damage matrix output. Each output will now be described in detail.

? A contour plot of available life over the model. This result can be over the whole model or scoped to a given part or surface. This result contour plot shows the available life for the given fatigue analysis. If loading is of constant amplitude, this represents the number of cycles until the part will fail due to fatigue. If loading is non-constant, this represents the

number of loading blocks until failure. Thus if the given load history

represents one month of loading and the life was found to be 120, the

expected model life would be 120 months. In a constant amplitude

analysis, if the alternating stress is lower than the lowest alternating stress defined in the S-N curve, the life at that point will be used. See section

2.2.1 for more information about the difference between constant and

non-constant amplitude loading.

? A contour plot of the fatigue damage at a given design life. Fatigue damage is defined as the design life divided by the available life. This result may be scoped. The default design life may be set through the Control Panel.

? A contour plot of the factor of safety with respect to a fatigue failure at a given design life. The maximum FS reported is 15. Like damage and life, this result may be scoped. This calculation is iterative for non-

constant amplitude loading and may substantially increase solve time.

? A stress biaxiality contour plot over the model. As mentioned previously, material properties are uniaxial but stress results are usually multiaxial. This result gives the user some idea of the stress state over the model and how to interpret the results. Biaxiality indication is

defined as the principal stress smaller in magnitude divided by the larger principal stress with the principal stress nearest zero ignored. A

biaxiality of zero corresponds to uniaxial stress, a value of –1

corresponds to pure shear, and a value of 1 corresponds to a pure biaxial state. From the sample biaxiality plot shown below, most of the model is under a pure shear or uniaxial stress. This is expected since a simple

torque has been applied at the top of the model. When using the

biaxiality plot along with the safety factor plot above, it can be seen that the most damaged point occurs at a point of nearly pure shear. Thus it would be desirable to use S-N data collected through torsional loading if available. Of course collecting experimental data under different loading conditions is cost prohibitive and not often done.

? A fatigue sensitivity plot. This plot shows how the fatigue results change as a function of the loading at the critical location on the model. This result may be scoped to parts or surfaces. Sensitivity may be found for life, damage, or factory of safety.

The user may set the number of fill

points as well as the load variation

limits. For example, the user may

wish to see the sensitivity of the

model’s life if the load was 50% of

the current load up to if the load

150% of the current load. (The x-

value of 1 on the graph corresponds

to the life at the current loading of

the model; The x-value at 1.5

corresponds to the critical fatigue

life if the finite element loads were 50% higher then they are currently, etc…). Negative variations are allowed in order to see the effects of a possible negative mean stress if the loading is not totally reversed.

Linear, Log-X, Log-Y, or Log-Log scaling can be chosen for chart

display. Default values for the sensitivity options may be set through the Control Panel.

? A plot of the rainflow matrix for the critical location. This result is only applicable for non-constant amplitude loading where rainflow counting is needed. This result may be scoped. In this 3-D histogram, alternating and mean stress is divided into bins and plotted. The Z-axis corresponds to the number of counts for a given alternating and mean stress bin. This result gives the user a measure of the composition of a loading history.

(Such as if most of the alternating stress cycles occur at a negative mean stress.) From the rainflow matrix below, the user can see that most of the alternating stresses have a positive mean stress and that bulk of the

smaller alternating stresses have a higher mean stress then the larger

alternating stresses.

? A plot of the damage matrix at the critical location on the model. This result is only applicable for non-constant amplitude loading where

rainflow counting is needed. This result may be scoped. This result is similar to the rainflow matrix except the %damage that each bin caused is plotted as the Z-axis. As can be seen from the corresponding damage matrix for the above rainflow matrix, in this particular case although

most of the counts occur at the lower stress amplitudes, most of the

damage occurs at the higher stress amplitudes.

3. Typical Use Cases

Scenario I, Connecting Rod under fully reversed loading: Here we have a connecting rod in a compressor under fully reversed loading (load is applied, removed, then applied in the opposite direction with a max loading of 1000 pounds).

? Import geometry and apply boundary conditions. Apply loading corresponding to the maximum developed load of 1000 pounds.

? Insert fatigue tool.

? Specify fully reversed

loading to create

alternating stress cycles.

? Specify that this is a

stress-life fatigue

analysis. No mean

stress theory needs to be

specified since no mean

stress will exist (fully

reversed loading). Specify that Von-Mises stress will be used to compare against fatigue material data.

? Specify a modification factor of .8 since material data represents a polished specimen and the in-service component is cast.

? Perform stress and fatigue calculations (Solve command in context menu).

? Plot factor of safety for a design life of 1,000,000 cycles.

? Find the sensitivity of available life with respect to loading. Specify a minimum base load variation of 50% (an alternating stress of 500 lbs.) and a maximum base load variation of 200% (an alternating stress of 2000 lbs.)

? Determine multiaxial stress state (uniaxial, shear, biaxial, or mixed) at critical life location by inserting “biaxiality indicator” into fatigue

tool. The stress state near the critical location is not far from uniaxial (.1~.2), which gives and added measure of confidence since the

material properties are uniaxial.

Scenario II, Connecting Rod under random loading: Here we have the same connecting rod and boundary conditions but the loading is not of a constant amplitude over time. Assume that we have strain gauge results that were collected experimentally from the component and that we know that a strain gauge reading of 200 corresponds to an applied load of 1,000 pounds. ? Conduct the static stress analysis as before using a load of 1,000 pounds.

? Insert fatigue tool. ? Specify fatigue loading as coming from a scale history and select scale history file containing strain gauge results over time(ex. Common Files\Ansys Inc\Engineering Data\Load Histories\SAEBracketHistory.dat ). Define the scale factor to be .005. (We must normalize the load

history so that the FEM load matches the scale factors in the load history file).

factor scale load needed gauge strain 200load FEM 1gauge strain 20010001000load FEM 1=

= × lbs lbs ?

Specify a bin size of 32 (Rainflow and damage matrices will be of dimension 32x32). ?

Specify Goodman theory to account for mean-stress effects. (The chosen theory will be illustrated graphically in the graphics window. Specify that a signed Von-Mises stress will be used to compare against fatigue material data. (Use signed since Goodman theory treats negative and positive mean stresses differently.) ? Perform fatigue calculations (Solve command in context menu). ? View rainflow and damage matrix.

齿轮疲劳点蚀的特征及案例分析

齿轮疲劳点蚀的特征及相应案例分析 1 疲劳点蚀的定义及特征 点蚀又称接触疲劳磨损,是润滑良好的闭式传动的常见失效形式之一。齿轮在啮合过程中,相互接触的齿面受到周期性变化的接触应力的作用。若齿面接触应力超出材料的接触疲劳极限时,在载荷的多次重复作用下,齿面会产生细微的疲劳裂纹;封闭在裂纹中的润滑油的挤压作用使裂纹扩大,最后导致表层小片状剥落而形成麻点,这种疲劳磨损现象,齿轮传动中称为点蚀。节线靠近齿根的部位最先产生点蚀。润滑油的粘度对点蚀的扩展影响很大,点蚀将影响传动的平稳性并产生冲击、振动和噪音,引起传动失效。 点蚀又分为收敛性点蚀和扩展性点蚀。收敛性点蚀指新齿轮在短期工作后出现点蚀痕迹,继续工作后不再发展或反而消失的点蚀现象。收敛性点蚀只发生在软齿面上,一般对齿轮工作影响不大。扩展性点蚀指随着工作时间的延长而继续扩展的点蚀现象,常在软齿面轮齿经跑合后,接触应力高于接触疲劳极限时发生。硬齿面齿轮由于材料的脆性,凹坑边缘不易被碾平,而是继续碎裂成为大凹坑,所以只发生扩展性点蚀。严重的扩展性点蚀能使齿轮在很短的时间内报废[1]。 2 疲劳点蚀的实例 某重型车辆侧减速器主动齿轮发生了早期失效,失效齿轮与行星转向机相连,将全车动力传递到行动部分,是全车受载最大的齿轮,始终在大载荷、高转速、多冲击的复杂苛刻环境下工作。齿设计上采用整编为齿轮,传动比为5.9,润滑方式为油池飞溅润滑。实效齿轮材料为18Cr2Ni4W A钢。采用渗碳+淬火+低温回火热处理工艺。 失效齿轮发生严重的接触疲劳失效,使用寿命未达到规定时间。采用断口分析、金相分析、硬度测试及有限元接触应力分析等方法对齿轮进行失效分析,查找该齿轮实效的原因(由于篇幅有限以及结合自身知识面,仅列举出端口分析和金相分析两项结果)。 2.1 断口分析 通过对失效齿轮宏观观察发现.在啮合受力齿面的节线附近靠近齿根一侧,沿齿宽方向分布许多

疲劳分析流程 fatigue

摘要:疲劳破坏是结构的主要失效形式,疲劳失效研究在结构安全分析中扮演着举足轻重的角色。因此结构的疲劳强度和疲劳寿命是其强度和可靠性研究的主要内容之一。机车车辆结构的疲劳设计必须服从一定的疲劳机理,并在系统结构的可靠性安全设计中考虑复合的疲劳设计技术的应用。国内的机车车辆主要结构部件的疲劳寿命评估和分析采用复合的疲劳设计技术,国外从疲劳寿命的理论计算和疲劳试验两个方面在疲劳研究和应用领域有很多新发展的理论方法和技术手段。不论国内国外,一批人几十年如一日致力于疲劳的研究,对疲劳问题研究贡献颇多。 关键词:疲劳 UIC标准疲劳载荷 IIW标准 S-N曲线机车车辆 一、国内外轨道车辆的疲劳研究现状 6月30日15时,备受关注的京沪高铁正式开通运营。作为新中国成立以来一次建设里程最长、投资最大、标准最高的高速铁路,京沪高铁贯通“三市四省”,串起京沪“经济走廊”。京沪高铁的开通,不仅乘客可以享受到便捷与实惠,沿线城市也需面对高铁带来的机遇和挑战。在享受这些待遇的同时,专家指出,各省市要想从中分得一杯羹,配套设施建设以及机车车辆的安全性绝对不容忽略。根据机车车辆的现代设计方法,对结构在要求做到尽可能轻量化的同时,也要求具备高度可靠性和足够的安全性。这两者之间常常出现矛盾,因此,如何准确研究其关键结构部件在运行中的使用寿命以及如何进行结构的抗疲劳设计是结构强度寿命预测领域研究中的前沿课题。 在随机动载作用下的结构疲劳设计更是成为当前机车车辆结构疲劳设计的研究重点,而如何预测关键结构和部件的疲劳寿命又是未来机车车辆结构疲劳设计的重要发展方向之一。机车车辆承受的外部载荷大部分是随时间而变化的循环随机载荷。在这种随机动载荷的作用下,机车车辆的许多构件都产生动态应力,引起疲劳损伤,而损伤累积后的结构破坏的形式经常是疲劳裂纹的萌生和最终结构的断裂破坏。随着国内铁路运行速度的不断提高,一些关键结构部件,如转向架的构架、牵引拉杆等都出现了一些断裂事故。因此,机车车辆的结构疲劳设计已经逐渐成为机车车辆新产品开发前期的必要过程之一,而通过有效的计算方法预测结构的疲劳寿命是结构设计的重要目标。 1.1国外 早在十九世纪后期德国工程师Wohler系统论述了疲劳寿命和循环应力的关系并提出了S-N 曲线和疲劳极限的概念以来,国内外疲劳领域的研究已经产生了大量新的研究方法和研究成果。 结构疲劳设计中主要有两方面的问题:一是用一定材料制成的构件的疲劳寿命曲线;二是结构件的工作应力谱,也就是载荷谱。载荷谱包括外部的载荷及动态特性对结构的影响。根据疲劳寿命曲线和工作应力谱的关系,有3种设计概念:静态设计(仅考虑静强度);工作应力须低于疲劳寿命曲线的疲劳耐久限设计;根据工作强度设计,即运用实际使用条件下的载荷谱。实际载荷因为受到车辆等诸多因素的影响而有相当大的离散性,它严重地影响了载荷谱的最大应力幅值、分布函数及全部循环数。为了对疲劳寿命进行准确的评价,必须知道设计谱的存在概率,并且考虑实际载荷离散性,才可以确定结构可靠的疲劳寿命。 20世纪60年代,世界上第一条高速铁路建成,自那时起,一些国外高速铁路发达国家已经深入研究机车车辆结构轻量化带来的关键结构部件的疲劳强度和疲劳寿命预测问题。其中,包括日本对车轴和焊接构架疲劳问题的研究;法国和德国采用试验台仿真和实际线路相结合的技术开发出试验用的机车车辆疲劳分析方法;英国和美国对转向架累计损伤疲劳方面的研究等等。在这些研究中提出了大量有效的疲劳寿命的预测研究方法。 1.2、国内 1.2.1国内疲劳研究现状与方法 国内铁路相关的科研院所对结构的疲劳寿命也展开了大量的研究和分析,并且得到了很多研

疲劳损坏案例与分析图文稿

疲劳损坏案例与分析文件管理序列号:[K8UY-K9IO69-O6M243-OL889-F88688]

疲劳损坏案例与分析 (一) 胡讷敏 疲劳失效(或称“疲劳损坏”)是承受交变应力构件的一种失效形式。在机器设备应用中,疲劳失效可以造成小到齿轮、轴承一类的零件损坏,大到整台设备报废,甚至可能发生同时导致其他财产以致人身损害事故发生。在机器设备向大型、精密、高速、高价值发展的今天,疲劳失效以其破坏性巨大和不容易发现、预防更具风险。在保险实务中,若非对专业有所研究,一般对机器设备的疲劳损坏只是一种通俗理解,或者说只是一种概念性的了解。而仅以通俗理解或概念性的的知识分析保险责任、处理赔付案件,其道理自然不免苍白,所以在对疲劳失效导致的设备损坏的保险责任分析上一直是难题。这里将陆续介绍几个机损险项下疲劳损坏事故处理案例,同时提出个人见解,旨在抛砖引玉,希望引起注意与讨论。 案例一:压缩机曲轴断裂案 这是一座中型化肥生产企业曾发生的事故:夜班工作时,正在运转中的氮氢压缩机主轴意外断裂,造成压缩机严重损坏,被保险人要求保险人在机器损坏险保单下予以赔偿。 因本案损失较大和专业性较强,接到报案后,保险人随即委托公估公司查勘处理。经过查勘与现场了解,本案事故受损设备是一台功率为1300kw的氮氢压缩机,在夜班工作时发生巨响,随即停机,当时看到因

巨大的震动使压缩机扭转位移、曲轴箱等部分箱体发生破裂。拆开检查看到压缩机曲轴断裂,其他零件如连杆、活塞拉杆、轴瓦、瓦座、机体、曲轴箱等一大部分零件断裂或明显变形。经过对曲轴断口检查分析,确定为疲劳断裂,进而判定该机事故发生原因和过程为,运转中的压缩机曲轴疲劳断裂后,运动的断裂件对相邻零件的撞击以及强大的惯性与震动力导致其它零部件断裂或变形损坏。 在对保险责任的分析判定上,公估人依据技术分析和对保单条款的理解,在确认事故原因是疲劳损坏的基础上,认为疲劳损坏属于机器设备运行必然引起的后果,随后根据保单关于除外责任条款中关于“机器设备运行必然引起的后果,如自然磨损、氧化、腐蚀、锈蚀、孔蚀、锅垢等物理性变化或化学反应”的约定,认为不属于保险责任,建议保险人对本案事故损失拒赔处理。最终保险人没有完全采纳公估人的意见,而是与被保险人协议赔偿。 案件处理分析: 首先可以确认公估人对事故原因的分析,即判断“疲劳损坏”是正确的。简单地说,疲劳损坏是在材料受力小于其静强度极限的情况下,由于交变应力多次重复的作用,对于轴类零件会在表面或某一应力集中的点发生初始裂纹(称“疲劳源”),由于切口作用逐渐发展、扩大,则未断裂的实体连接部分承受的应力随之逐渐增加,直至超过其静强度极限后断裂。从曲轴断口的照片可以看到,A点位置是疲劳初期裂纹即疲劳源,自此裂纹逐渐向外发展;B区域可见裂纹以疲劳源为中心,波纹状向外发展;C区断面粗糙,是最后一次性断裂的表面。(如下图所示)

疲劳分析计算的流程

疲劳分析,从零开始 1 测量应变、应力谱图 (1)衡量应力集中的区域,布置应变片 可以通过模拟(有限元)或试验(原型上涂上一层油漆,待油漆干后施加载荷,油漆剥落的地方应力集中),确定应力集中的区域,然后按左下图在应力集中区域布置三个应变片: 因为材料是各向同性,所以x,y方向并不一定是水平和竖直方向,但两者一定要垂直,中间一个一定要和x,y方向成45°角。 (2)根据测的应变和材料性能,计算应力 测得的三个应变,分别记为εx, εy, εxy。两个主应力(假设只有弹性变形): 其中,E为材料的弹性模量,μ为泊松比。根据这两个主应力,可以计算出有些方法可能需要的等效应力(主要目的是将多分量的应力状态转化为一个数值,以方便应用材料的疲劳数据),如米塞斯等效应力:

()()222122121σσσσσ++-=m 或最大剪应力: ()2121 σσστ-= 实际测量的是应变-时间谱图,应力(或等效应力)-时间谱图可由上述公式计算。 (3)分解谱图 就是对上面测得的应力(应变)-时间谱图进行分解统计,计算出不同应力(包括幅度和平均值)循环下的次数,以便计算累积的损伤。最常用的是雨流法(rainflow counting method )。 2 获取材料数据 如果载荷频率不高,可以做一组简单的疲劳测试(正弦应力,拉压或弯曲均可,有国家标准): 得到一条应力-寿命(即循环次数)曲线,即所谓的S-N 曲线:

1:如果载荷频率较高或温度变化较大,还要测量不同平均应力和不同温度下的S-N 载荷,以便进行插值计算,因为此时平均应力对寿命有影响。也可以根据不同的经验公式(如Goodman准则,Gerber准则等),以及其他材料性能(如拉伸强度,破坏强度等),由普通的S-N曲线(即平均应力为0)来计算平均应力不为零时对应的疲劳寿命。 2:如果材料数据极为有限,或者公司很穷很懒不愿做疲劳试验,也可以由材料的强度估算疲劳性能。 3::如果出现塑性应变,累计损伤一般基于应变-寿命曲线(即E-N曲线),所以需要施加应变载荷。 3 损伤计算 到目前为止,疲劳分析基本上是基于经验公式,还没有完全统一的理论。损伤 累积的计算方法有很多种,最常用的是线性累计损伤(即Miner 准则), 但其结果不保守,计算得到的寿命偏高。 ∑∑≥=0.1,f i i i N n D 准确度比较高的累计准则是双线性准则,并且计算比“破坏曲线法”要容易,所以,是一个很好的折衷选择。

疲劳强度破坏实例

疲劳强度破坏实例 疲劳破坏在局部应力最高的部位发生,某些机械,常常由于设计、制造、装配和使用中的不合理,造成零部件过早地发生疲劳断裂。 1.锻造用水压机,特别是1600吨以下的三梁(上横梁、活动横梁及下横梁)四柱式结构的小型水压机(图1.1),由于上、下横梁与立柱形成的框架的刚度小,在锻造过程中摇晃厉害,这样,常在立柱下端应力集中处发生疲劳破坏。图1.2为1250吨锻造水压机的立柱,材料为45钢经正火处理,立柱两端的锥台分别与上、下横梁联接,立柱有内孔,通高压液体。该水压机投产后不到两年,有一根立柱疲劳断裂,焊修后继续使用。另一根立柱因超载运行断裂,更换一旧立柱。再过一年大修时,将两根立柱都换上40Cr的新立柱,三年后,一根立柱又产生疲劳裂纹(图1.2所示)。还有一台1600吨水压机投产后一年半,一根立柱在下横梁上螺母上部退刀槽处发生疲劳断裂(图1.3)。从上面的例子可以看出,水压机立柱的疲劳断裂,大都发生在下横梁上螺母(或锥台)与立柱光滑区的过渡圆角处,该处的应力集中最大。 水压机横梁的疲劳破坏,可以分为两种情况:下横梁及活动横梁的疲劳破坏,都发生在梁的中央部位。因为这种横梁各截面的面积近似相等,中央截面上的弯矩最大。例如,一台1250吨水压机投产后十年,在下横梁中央部位产生疲劳裂纹。另一台1000吨水压机投产一年后,于活动横梁中央产生疲劳裂纹,修焊后使用了两年又开裂。对于梯形的上横梁,最高的局部应力不在中央截面上,而在上横梁与柱套交界的圆弧处。因此,疲劳破坏在交界圆弧处发生。

2.轧机闭式机架用于初轧机、钢坯轧机及板轧机等。对于以强度为主要要求的轧机机架,其破坏形式是弯曲疲劳破坏。疲劳裂纹源常发生在压下螺母孔的过渡圆弧r处(图1.4中的1处),该处的峰值应力最高。但有些轧机(如1200薄板迭轧机)工作十年后,发现在上横梁与立柱过渡圆角处有30mm长的裂纹(图1.4中的2处)。 3.运锭车用于将罩式加热炉中的大钢锭运到初轧机前的受料辊道上,它经受冲击,热锭温度的周期变化与运送中车辆的振动。在一次操作后,发现机架的圆角处有300mm长的裂纹(图1.5),可看出发现裂纹时,裂纹已经历了一段扩展时期。后来,在裂纹尖端钻Φ16mm的止裂孔,从此裂纹没有发展,设备一直在使用中。

Ncode案例

虚拟疲劳分析软件DesignLife应用案例 传统的汽车整车和零部件开发通常都通过产品在试验室中的台架耐久性试验,或试车场道路试验,以验证产品是否满足其设计目标,这一过程周期很长,成本很高,发现问题较晚。在当今的产品开发中,汽车企业越来越多地应用虚拟模拟分析技术,在实物样机出来之前就对其进行疲劳耐久性预测,在设计的早期消除不合格的设计,并通过设计比较,挑选出好的设计。实践证明,进行虚拟寿命分析,能大大加快产品的开发,减少试验的工作量,节省成本。 新一代CAE疲劳分析软件ICE-flow DesignLife是nCode公司的旗舰产品之一。它不仅继承了已经在工程上得到广泛应用的FE-Fatigue的功能特点,而且在软件的使用方便性方面也有了极大的改进。本文首先介绍虚拟寿命分析的一般步骤,然后将重点介绍在汽车零部件疲劳分析中应用DesignLife的几个案例,以帮助读者深入了解并把握虚拟疲劳分析中的一些要点和难点。 典型步骤 疲劳分析是一项较为复杂的工作,通常需要分析者对所分析的问题,以及需要从分析中获得什么样的结果有一个深刻的理解。通常所说的虚拟疲劳分析,指的是基于有限元分析结果的疲劳分析,就是将有限元分析结果,通常是应力应变结果,作为疲劳分析的一个主要输入。通过一个疲劳分析模型,计算出零部件或结构表面的疲劳寿命分布,以帮助判断设计寿命是否达到,或进行寿命优化设计。步骤如下: 1. 选择一个合适的疲劳分析模型 汽车疲劳分析中常用的分析模型有局部应力法、局部应变法、焊点疲劳分析法和焊缝疲劳分析法,另外还有较为复杂的Dang Van多轴安全因子法、振动疲劳分析和高温疲劳分析等。不同的分析方法需要不同的有限元分析结果和材料性能输入。 2. 准备有限元分析结果 一旦疲劳分析模型已经选择,那么需要什么有限元分析结果也将明确。比如,局部应力或应变法通常需要应力结果,而焊点分析法则需要焊点单元的力和力矩。有限元分析通常对每一个作用在零部件或结构中的力和力矩做单位静力线性计算,应力输出结果可以是未平均的,或已平均的节点值,或者单元值。 3. 准备载荷输入数据 使用什么载荷数据对于疲劳分析至关重要,载荷定义了汽车的使用环境,也决定了疲劳分析的结果。比如,载荷输入如果是试车场中采集的信号,那么疲劳分析结果将会是汽车在试验场中行驶的寿命,而不是在公共路面行驶的寿命。特别需要指出的是,对于汽车零部件或结构的疲劳分析,通常需要相对真实的时域载荷数据,以保证疲劳分析结果的合理性。如果无法测得实际的数据,那么多体动力学是分析载荷传递的强有力的工具。

abaqus与fatigue结合疲劳分析

a b a q u s与f a t i g u e结 合疲劳分析 公司标准化编码 [QQX96QT-XQQB89Q8-NQQJ6Q8-MQM9N]

Fatigue 分析实例 为如图1所示的中心孔板,材料为LY12-CZ ,板宽50mm,孔直径为8mm ,板厚1mm 。LY12-CZ 铝板弹性模量GPa E 68=,强度极限MPa b 482=σ。在板的两边施加1MPa 的均布拉应力。 图1 中心孔板结构示意图 1、应力计算结果与分析 对上述模型进行有限元计算,结果应力云图如图2所示。

图2 应力云图 2、*.Fil文件说明 *.fil文件是ABAQUS的一种二进制输出文件,供其他软件(如Patran)后处理使用,如生成X-Y曲线,制作二维表格等,可以输出的项目包括:单元、节点、接触面、能量、模态、梁截面等的输出信息,输出的方法是在INP文件中增加输出指令, 生成*.fil文件的步骤如下 对ABAQUS/Standard,可以直接输出.fil文件,步骤如下: 在inp文件中,step步骤之后, end step步骤之前,加上以下内容:

*NODE FILE RF,U,V **输出节点的作用力(RF),位移(U,V)到*.fil中 *EL FILE S,E **输出单元应力(S),应变(E)到*.fil中 在abaqus的job界面重新运行inp文件,即可得到对应的fil文件3、疲劳寿命估算 疲劳寿命估算需用到软件中的模块。如图3所示,位于的Tools菜单下,点击Main Interface即可进入模块主界面。 图3 在中进入界面

疲劳分析步骤

现在要求对该轴进行疲劳分析。 使用WORKBENCH和DESIGNLIFE对之进行疲劳分析,分为两步。第一步是在WORKBENCH中建立有限元模型,并分别施加集中力和集中力偶,通过计算,得到两种情况的米塞斯应力,这相当于两种工况,这样可以得到ANSYS WORKBENCH的结构分析结果文件*.rst.第二步在DESIGNLIFE中进行,首先根据疲劳分析的五框图,构造疲劳分析流程,然后分别设定各个框图的属性,即有限元结果文件,载荷文件,材料文件,疲劳分析选项,然后启动分析,通过后处理以查看轴上各点的疲劳寿命。 1. WORKBENCH中建立有限元模型并进行分析。 (1)使用designmodeler创建几何模型。 (2)设置材料属性。 (3)划分网格。 (4)设置分析选项。 这里设置两个载荷步,其目的只是分开弯曲和扭转这两种工况。

(5)设置固定边界条件 (6)施加集中力和集中力偶。 第一个载荷步施加集中力,而第二个载荷步施加集中力偶。 (7)分析。 (8)得到两种情况的米塞斯应力。

左边的云图取自第一个载荷步,它是弯曲产生的应力云图。 右边的云图来自第二个载荷步,它是扭转产生的应力云图。 计算完毕后,保存结果,退出ANSYS WORKBENCH. 2. DESIGNLIFE中的疲劳分析。 (1)绘制疲劳分析流程图。 打开designlife,创建分析流程图如下。 该流程图中,左边时输入(左上是有限元结果输入,左下是载荷的时间历程曲线输入),中间是疲劳分析模块(这里是应变寿命疲劳分析),右边是输出(右上是有限元分析结果显示,右下是列表输出危险点的情况)。 (2)关联有限元分析结果文件

Msc.Fatigue疲劳分析实例指导教程

第三章疲劳载荷谱的统计处理 3.1 疲劳载荷谱的统计处理理论基础 3.1.1 数字化滤波 频率分析的典型参量是功率谱密度(PSD),如像确定频率为4Hz对应的幅值的均方根值,只需要求取功率谱密度下对应的3.5-4Hz之间的面积。 3.1.2 雨流计数法 循环计数法:将不规则的随机载荷-时间历程,转化为一系列循环的方法。 3.2 数据的导入与显示 (1)新建:File>New (2)导入:Tools>Fatigue Utilities>File Conversion Utilities>Covert ASCII.dac to Binary...>Single Channel(设置,注意Header Lines to skip要跳过的行数)>exit (3)查看:Tools>Fatigue Utilities>Graphic Display>Quick Look Display 1)放大:View>Window X,输入X的最值 2)读取:①左击任何位置,状态栏显示②数据轨迹:Display>Track 3)显示数据点:Display>Join Points;显示实线图:Display>Join 4)网格和可选坐标轴:Axes>Axes Type/Grid 5)显示某段时间信号的统计信息:Display>Wstats,放大 3.3 数字滤波去除电压干扰信号 (1)载荷时间历程的PSD分析 1)File>New 2)Tools>Fatigue Utilities>Advanced Load Utilities>Auto Spectral density (2)信号的滤波 1)Tools>Fatigue Utilites>Advanced Load Utilities>Fast Fourier Filtering 2)比较滤波前后结果:Tools>Fatigue Utilities>Graphic Display>Multi-file Display (3)滤波稳定性检查:比较前后PSD,多文件叠加显示 第四章应力疲劳分析 4.2 载荷谱块的创建与疲劳寿命计算 (1)创建载荷谱块:Tools>Fatigur Utility>Load Management>Add an Entry>Block program (2)疲劳分析:Tools>Fatigue Utilities>Advanced fatigue utilities>选方法 4.3 零部件疲劳分析 (1)导入有限元模型及应力结果:工具栏Import>Action、Object、Method,查看Results (2)疲劳分析 1)设置疲劳分析方法:工具栏Analysis,设置 2)设置疲劳载荷 ①创建载荷时间历程文件Loading info>Time History Manager ②将有限元分析工况与时间载荷关联:Loading Info>Load case空白>Get/Filte result...

ansys workbench疲劳分析流程

ansys workbench疲劳分析流程 基于S-N曲线的疲劳分析的最终目的是将变化无规律的多轴应力转化为简单的单轴应力循环,以便查询S-N曲线,得到相应的疲劳寿命。ansys workbench的疲劳分析模块采用如下流程,其中r=Smin/Smax,Sa为应力幅度,Sm应力循环中的应力均值,注意后一个m不是大写:): (1)无规律多轴应力-->无规律单轴应力 这个转换其实就是采用何种应力(或分量)。只能有以下选择: V on-Mises等效应力;最大剪应力;最大主应力;或某一应力分量(Sx,Syz等等)。有时也采用带符号的Mises应力(大小不变等于Mises应力,符号取最大主应力的符号,好处是可以考虑拉或压的影响(反映在平均应力或r上))。同强度理论类似,V on-Mises等效应力和最大剪应力转换适用于延展性较好的材料,最大主应力转换用于脆性材料。 (2)无规律单轴应力-->简单单轴应力循环 其本质是从无规律的高高低低的等效单轴应力--时间曲线中提取出一系列的简单应力循环(用Sa,Sm表征)以及对应的次数。有很多种方法可以完成此计数和统计工作,其中又分为路径相关方法和路径无关方法。用途 最广的雨流法(rain flow counting method)就是一种路径相关方法。其算法和原理可见“Downing, S., Socie, D. (1982) Simplified rain flow counting algorithms. Int J Fatigue,4, 31–40“。 经过雨流法的处理后,无规律的应力--时间曲线转化为一系列的简单循环(Sa,Sm和ni,ni为该循环的次数,Sm如果不等于0,即r!=-1,需要考虑r的影响)。然后将r!=-1的循环再转化到r=-1对应的应力循环(见下),这样就可以根据损伤累计理论(Miner准则)计算分析了:Sum(ni/Ni) Ni为该应力循环对应的寿命(考虑Sa,Sm)。 (3)r!=-1的简单单轴应力循环-->r=-1的r!=-1的简单单轴应力循环 如果有不同r值下的S-N曲线,一般采用插值方法确定未知r值下的S-N曲线。如果只有r=-1的S-N曲线,可采用如下的公式计算等效的应力(就是将r!=-1的单轴应力转换为r=-1时的单轴应力,即等效应力): (Sa/Se)+(Sm/Su)^n=1 ^为指数运算符。 其中,Sa为半应力幅值,Se为欲求的等效应力,Sm为平均应力,Su和n不同的取值,构成不同的理论: Theory Su n ------------------------------------------------------------------ Soderberg yield stress (sy) 1 Goodman ultimate tensile stress (su) 1 Gerber ultimate tensile stress (su) 2 Morrow true fracture stress (sf) 1 ----------------------------------------------------------------- 至此,已经可以查询标准的S-N曲线了,结合Miner准则,可以计算疲劳寿命了。

交通事故12个典型案例综合分析模板

违法行为与交通事故十二个典型案例综合分析道路交通事故归根结底是人、车、路、环境四个方面的因素失去平衡所造成。一般情况下,汽车驾驶人违法是造成交通事故的主要原因,据有关资料统计,道路交通事故中,由于驾驶人违法负有直接责任的约占70%,而行人和乘车人的责任只占20%。下面结合事故案例,综合分析发生交通事故的原因。 一、违反机动车驾驶人规定的违法行为. 违反机动车驾驶人规定并导致交通事故的违法行为,常见的有疲劳驾驶车辆;酒后或服用影响安全驾驶的药物驾驶车辆;驾驶与准驾车型不相符合的车辆;驾驶车辆时吸烟、接打手机、饮食、攀谈(精力不集中)或做其他有碍安全行车的动作;将车辆交给没有驾驶证的人驾驶等。 1.违法酒后驾驶 (1)酒后驾驶是造成交通事故的首要因素2008年世界卫生组织的事故调查结果显示,约50%-60%的交通事故是由于酒后驾驶造成的;有20%的交通事故是由驾驶人服用药物不当造成嗜睡引起的。 (2)酒后和醉酒后驾驶机动车发生交通事故的生理及心理因素酒的主要成分是酒精(化学名称为乙醇)。而酒精对人体各种器官都有损害,是一种原生质毒物麻醉剂。它作用于高级神经中枢,当人脑及其他神经组织内酒精浓度达到一定程度后,中枢神经活动便逐渐迟钝并延及脊髓神经,先使人的判断力发生障碍,而后四肢活动变得迟缓。具体影响如下: ①反应能力降低。驾驶人饮酒后对外界刺激反应迟缓。例如,驾驶人在没饮酒的情况下发现前方出现危情况,从视觉感知(眼看到)到采取紧急制动的反应时间约为0.7s,饮酒后反应时间则要延制至1.4-2.1s,同速下的制动距离随之延长,肇事的可能性大大增加。另据报导,驾驶人醉酒状开车,则发生事故的可能性为没有饮酒情况下开车的16倍。 ②视觉机能降低。当驾驶人血液中的酒精浓度高于50mg/100mL时,其色觉和视野等视觉机能大幅度下降;当酒精浓度为200mg/l00mL时,颜色感觉能力降到不能正确发现和感知交通信号、标志与标线;同时由于视野范围减小,很多危险信息看不到,因而极易发生事故。 ③触觉和操作能力降低。驾驶人饮酒后由于酒精的麻醉作用,其手、脚的触觉能力降低,当血液中酒精浓度为30mg/100mL时,操作能力开始受影响,

ansys-workbench疲劳分析流程

ansys workbench困乏分析流程 基于S-N曲线的困乏分析的最终目的是将变化无规律的多轴应力转化为简单的单轴应力循环,以便查询S-N曲线,得到相应的困乏寿命。ansysworkbench 的困乏分析模块采用如下流程,其中r=Smin/Smax,Sa为应力幅度,Sm应力循环中的应力均值,注意后一个m不是大写:): (1)无规律多轴应力-->无规律单轴应力 这个转换其实就是采用何种应力(或分量)。只能有以下选择: Von-Mises等效应力;最大剪应力;最大主应力;或某一应力分量(Sx,Syz 等等)。有时也采用带符号的Mises应力(大小不变等于Mises应力,符号取最大主应力的符号,好处是可以考虑拉或压的影响(反映在平衡应力或r 上))。同强度理论类似,Von-Mises等效应力和最大剪应力转换适用于延展性较好的材料,最大主应力转换用于脆性材料。 (2)无规律单轴应力-->简单单轴应力循环 其本质是从无规律的高高低低的等效单轴应力--时间曲线中提取出一系列的简单应力循环(用Sa,Sm表征)以及对应的次数。有很多种方法可以完成此计数和统计工作,其中又分为路径相关方法和路径无关方法。用途 最广的雨流法(rainflowcountingmethod)就是一种路径相关方法。其算法和原理可见“Downing, S., Socie, D. (1982) Simplified rain flow counting algorithms. Int J Fatigue,4, 31–40“。 经过雨流法的处理后,无规律的应力--时间曲线转化为一系列的简单循环(Sa,Sm和ni,ni为该循环的次数,Sm如果不等于0,即r!=-1,需要考虑r的影响)。然后将r!=-1的循环再转化到r=-1对应的应力循环(见下),这样就可以根据损伤累计理论(Miner准则)计算分析了:Sum(ni/Ni) Ni为该应力循环对应的寿命(考虑Sa,Sm)。 (3)r!=-1的简单单轴应力循环-->r=-1的r!=-1的简单单轴应力循环

失效案例分析

工程材料失效分析 姓名:丁静 学号:2

案例一乙烯裂解炉炉管破裂原因分析某石化公司化工一厂裂解车间CBL一Ⅲ型乙烯裂解炉于1998年9月投入运行,1 999年4月检查发现一根裂解炉管发生泄漏。为查明炉管泄漏原因,对失效炉管进行了综合分析。CBL一Ⅲ型乙烯裂解炉炉管工作温度为1050~llOO℃,材质化学成分(质量分数)为0.35~0.60%C;1.0%~2.0%Si;1.O%~1.50%Mn;33%~38%Ni;23%~28%Cr 及微量Nb.Ti.Zr等。宏观观察失效炉管表面可以看出,泄漏部位炉管内、外壁均有两个孔坑,两个孔坑在内、外表面相互对应,孔坑边缘金属略有凸起,呈火山口状。仔细观察发现,在内壁两个孔坑附近表面有一约3 mm xl mm凸棱,凸棱略高于附近炉管表面(图11-1、图11-2)。

化学成分分析结果表明,失效炉管化学成分符合厂家技术要求。金相检查结果表明,失效炉管显微组织基体为奥氏体,晶界分布有骨架状碳化物,晶内和晶界分布有一定数量的颗粒状碳化物(图11-3)。 能谱分析结果表明,这些颗粒状碳化物为Nb.Zr.Ti或Cr的

碳化物。晶界分布的骨架状碳化物系以铬为主的碳化物。首先,采用扫描电镜观察了泄漏部位炉管内、外表面的放大形貌,观察发现,所有孔坑均存在白亮色块状物。通常,不导电的非金属氧化物或金属氧化物在电子束作用下因积累电荷而呈白亮色。能谱分析结果表明,白亮色块状物含有很高的稀土铈。分析认为,白亮色块状物为稀土氧化物。在泄漏部位,分别在内壁凸棱和孔坑两处,垂直于内表面制备了炉管横截面金相试样。可以看出,不论是凸棱对应部位,还是炉管内、外表面两个孔坑之间,炉管横截面均分布有宏观深灰色金属夹杂物,夹杂物在内、外表面两个孔坑之间连续贯通(图11-4)。 在扫描电镜下进一步观察、分析结果表明,两个横截面深灰色区域同样是稀土铈的氧化物(图11-5)。采用微型拉伸试样,对失效炉管进行了1100℃短时高温拉伸试验,其结果如表11-1所示。可以看出,失效炉管1100℃高温短时拉伸性能低于厂家相关技术要求。

ansys实例命令流-疲劳分析命令流

/FILNAME,Structure ,1 !定义工作文件名。/TITLE, Fatigue Analysis !定义工作文件标题。!进入前处理。 /PREP7 ET,1,PLANE82 !定义单元。 !定义材料属性。 MPTEMP,,,,,,,, !定义材料属性。MPTEMP,1,0 MPDATA,EX,1,,2.06e5 MPDATA,PRXY,1,,0.3 !建立几何模型。 K,1,,,, K,2,,-100,, K,3,150,-60,, K,4,150,-45,, K,5,300,-30,, K,6,300,,, FLST,2,6,3 FITEM,2,1 FITEM,2,2 FITEM,2,3 FITEM,2,4 FITEM,2,5 FITEM,2,6 A,P51X !以上几何模型完成。 !网格划分。 FLST,5,6,4,ORDE,2 FITEM,5,1 FITEM,5,-6 CM,_Y,LINE LSEL, , , ,P51X CM,_Y1,LINE CMSEL,,_Y LESIZE,_Y1,5, , , , , , ,1 !网格控制完成。!网格单元分配划分完成。 MSHAPE,0,2D MSHKEY,0 CM,_Y,AREA ASEL, , , , 1 CM,_Y1,AREA CHKMSH,'AREA' CMSEL,S,_Y AMESH,_Y1

CMDELE,_Y CMDELE,_Y1 CMDELE,_Y2 !以上网格单元分配划分完成。 !施加约束。 FLST,2,1,4,ORDE,1 FITEM,2,1 /GO DL,P51X, ,ALL, FLST,2,1,4,ORDE,1 FITEM,2,6 /GO SFL,P51X,PRES,2, !施加均布载荷。FINISH /SOL /STATUS,SOLU SOLVE !求解。 /POST1 !输入S-N曲线。 FP,1,100,200,500,1000,1500,2000 FP,7,10000,15000,30000,60000,100000,150000 FP,13,200000,250000,300000,350000,400000,450000 FP,19,480000,500000 FP,21,250,240,230,220,210,200 FP,27,195,190,170,150,130,100 FP,33, 90, 80,60,50,30,25 FP,39,18,12 !定义节点号(参数化)。 *SET,node_num,node(150,-45,0) !指定第一个应力位置。 FL,1,node_num,,,, !从数据库中提取应力值。 FSNODE,node_num,1,1, FS,node_num,1,2,1,0,0,0,0,0,0, !存储节点应力。FE,1,100000,2,even1 !指定事件循环次数。FTCALC,1

疲劳损坏案例与分析

疲劳损坏案例与分析 Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】

疲劳损坏案例与分析 (一) 胡讷敏 疲劳失效(或称“疲劳损坏”)是承受交变应力构件的一种失效形式。在机器设备应用中,疲劳失效可以造成小到齿轮、轴承一类的零件损坏,大到整台设备报废,甚至可能发生同时导致其他财产以致人身损害事故发生。在机器设备向大型、精密、高速、高价值发展的今天,疲劳失效以其破坏性巨大和不容易发现、预防更具风险。在保险实务中,若非对专业有所研究,一般对机器设备的疲劳损坏只是一种通俗理解,或者说只是一种概念性的了解。而仅以通俗理解或概念性的的知识分析保险责任、处理赔付案件,其道理自然不免苍白,所以在对疲劳失效导致的设备损坏的保险责任分析上一直是难题。这里将陆续介绍几个机损险项下疲劳损坏事故处理案例,同时提出个人见解,旨在抛砖引玉,希望引起注意与讨论。 案例一:压缩机曲轴断裂案 这是一座中型化肥生产企业曾发生的事故:夜班工作时,正在运转中的氮氢压缩机主轴意外断裂,造成压缩机严重损坏,被保险人要求保险人在机器损坏险保单下予以赔偿。 因本案损失较大和专业性较强,接到报案后,保险人随即委托公估公司查勘处理。经过查勘与现场了解,本案事故受损设备是一台功率为1300kw的氮氢压缩机,在夜班工作时发生巨响,随即停机,当时看到因巨大的震动使压缩机扭转位移、曲轴箱等部分箱体发生破裂。拆开检查看到压缩机曲轴断裂,其他零件如

连杆、活塞拉杆、轴瓦、瓦座、机体、曲轴箱等一大部分零件断裂或明显变形。经过对曲轴断口检查分析,确定为疲劳断裂,进而判定该机事故发生原因和过程为,运转中的压缩机曲轴疲劳断裂后,运动的断裂件对相邻零件的撞击以及强大的惯性与震动力导致其它零部件断裂或变形损坏。 在对保险责任的分析判定上,公估人依据技术分析和对保单条款的理解,在确认事故原因是疲劳损坏的基础上,认为疲劳损坏属于机器设备运行必然引起的后果,随后根据保单关于除外责任条款中关于“机器设备运行必然引起的后果,如自然磨损、氧化、腐蚀、锈蚀、孔蚀、锅垢等物理性变化或化学反应”的约定,认为不属于保险责任,建议保险人对本案事故损失拒赔处理。最终保险人没有完全采纳公估人的意见,而是与被保险人协议赔偿。 案件处理分析: 首先可以确认公估人对事故原因的分析,即判断“疲劳损坏”是正确的。简单地说,疲劳损坏是在材料受力小于其静强度极限的情况下,由于交变应力多次重复的作用,对于轴类零件会在表面或某一应力集中的点发生初始裂纹(称“疲劳源”),由于切口作用逐渐发展、扩大,则未断裂的实体连接部分承受的应力随之逐渐增加,直至超过其静强度极限后断裂。从曲轴断口的照片可以看到,A 点位置是疲劳初期裂纹即疲劳源,自此裂纹逐渐向外发展;B区域可见裂纹以疲劳源为中心,波纹状向外发展;C区断面粗糙,是最后一次性断裂的表面。(如下图所示) 疲劳损坏无疑是一种渐变的过程,但是疲劳损坏可否认为是“机器设备运行必然引起的后果”则是需要慎重考虑的。根据对疲劳失效的研究,其形成条件很复杂,除交变应力频率因素外,疲劳强度与材料性能、强度、表面质量以及设计

经典—疲劳分析

疲劳分析软件ANSYS FE_SAFE 简介(转) 来源:刘兴兴的日志 ANSYS FE_SAFE 产品投放市场后,如果在耐久性方面出现问题将会造成许多新产品失去竞争力,给企业带来巨大的经济损失,同时又使企业形象蒙受巨大的负面影响。在中国,由于疲劳耐久性与可靠性不过关造成的产品问题更是普遍存在,是国产产品缺乏国际竞争力的最重要因素之一。国际上,每年因结构疲劳的原因,大量产品在其有效寿命期内报废,由于疲劳破坏而造成的恶性事故也时有出现。据统计,欧洲每年早期断裂造成的损失达800亿欧元,而美国每年早期断裂造成的损失达1190亿美元,其中95% 是由于疲劳引起的断裂。而通过应用疲劳耐久性分析技术,其中的50%是可以避免的,因此许多企业将疲劳耐久性定为产品质量控制的重要指标。 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、耗资巨大,而且许多相关参数与失效的定量关系也不可能在试验中得出,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。 ANSYS FE-SAFE是美国ANSYS公司与英国安全技术公司(SAFE TECHNOLOGY LIMITED)紧密合作的产品,是进行结构疲劳耐久性分析的专用软件。在软件开发过程中,每年投资数百万美元用于研发,并进行了大量的材料参数实验和实际结构件的试验验证。 在产品设计阶段使用ANSYS FE-SAFE,可在物理样机制造之前进行疲劳分析和优化设计,真实地预测产品的寿命,实现等寿命周期设计。设计阶段的耐久性分析可以显著缩短产品推向市场的时间、提高产品可靠性,极大地降低制造物理样机和进行耐久性试验所带来的巨额研发费用。ANSYS FE-SAFE耐久性分析技术可广泛应用于从空间站、飞机发动机到汽车、火车;从空调、洗衣机等家电产品到电子通讯系统;从舰船到石化设备;从内燃机、核能、电站设备到通用机械等各个领域。 疲劳分析及概念 >疲劳破坏的概念 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。这种在交变载荷持续作用下材料或结构的破坏现象,就叫做疲劳破坏。 >疲劳破坏的特征 材料力学是根据静力试验来确定材料的机械性能(比如弹性极限、屈服极限、强度极限)的,这些机械性能没有充分反映材料在交变载荷作用下的特性。因此,在交变载荷作用下工作的零件和构件,如果还是按静载荷去设计,在使用过程中往往就会发生突如其来的破坏。 >疲劳破坏与传统静力破坏的本质区别

汽轮机轴系损坏事故案例分析

汽轮机轴系损坏事故案 例分析 集团企业公司编码:(LL3698-KKI1269-TM2483-LUI12689-ITT289-

汽轮机轴系损坏事故案例分析【事故机组概况】 阜新电厂01号汽轮机CCl140/N200一12.7/535/535型超高压一次中间再热两段抽汽凝汽式机组,由哈尔滨汽轮机厂制造,出厂日期96年,出厂编号72N9;发电机型号.QFSN一200—2,出厂编号3—60237,出厂日期为95年10月,由哈尔滨电机厂制造;锅炉型号为HG 一670/13.7一YMl6,出厂编号2339,出厂日期1995年3月,由哈尔滨锅炉厂制造。 该机组1996年3月安装,96年11月2日首次并网发电,同年12月18日正式移交生产;到8月19日事故时止,累计运行15151小时,发电量27.06亿千瓦时。 【事故经过】 1999年8月19日0时20分,运行五值接班,机组负荷为155MW运行;零时30分,值长令加负荷到165MW;1时整,值长令加负荷到170MW,主蒸汽压力为12.6Mpa,主蒸汽温度535℃,蒸汽流量536.9吨/时。

47分30秒,“高、中压主汽门关闭”、“抽汽逆止门关闭“光字牌报警,监盘司机喊“机跳了”。47分32秒,交流、直流润滑油泵联动良好。47分37秒,发电机出口开关5532跳闸,有功负荷到“0”,6KV厂用电备用电源联动成功。 值长来电话向单元长询问情况,单元长告:“01号机、发电机跳闸”。值长当即告:“立即查明保护动作情况,对设备详细检查;有问题向我汇报“。单元长令:“汽机、电气人员检查保护及设备情况。”司机助手到保护盘检查本特利保护,回来后向单元长汇报:“没有发现异常。”汽机班长检查完设备汇报单元长说:“设备检查没问题。”电气班长确认后汇报:“发电机跳,6KV厂用正常联动备用电源,电气保护无动作,只有‘热工保护动作’光字牌来信号。” 单元长向值长汇报:“检查保护和设备都没发现问题。”值长告:“如无异常,可以恢复。”随即单元长告汽机班长:“汽机挂闸,保持机3000转/分。”汽机班长到就地机头处操作,手摇同步器由30mm退至到“0’’位,同时令司机助手去检查设备情况,助手回来后汇报:“机组检查正常,主轴在转动中。”这时班长操作同步器增加行程时发现高、中压主汽门未开,告助手去复归“热工保护动作自保持复归按钮”,当检查就地压力表立盘时发现调速油压很低,对从控制室返回来的助手说:“把调速油泵转起来。”

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