疲勞仿真助力延長產(chǎn)品壽命，降低成本和風險

2016-11-07 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

疲勞失效是一種隱患。您的產(chǎn)品可能也存在疲勞失效問題,但是您還不知道。循環(huán)加載所導致的零件表面變化只有在顯微鏡下才能看到。經(jīng)過長期反復的壓縮和拉伸之后,零件會出現(xiàn)明顯的裂紋,然后迅速失效。

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疲勞是指在低于零件材料屈服強度的應力作用下,零件被反復加載和卸載后發(fā)生的失效現(xiàn)象。簡單的張力測試只能識別由超出屈服強度的負載所導致的失效;如果不做物理測試(如振動測試),那么得出的部件耐久性結(jié)果就是不可靠的。但物理測試很耗時,很昂貴,而且對于大型產(chǎn)品或復雜產(chǎn)品而言,物理測試是不切實際的或無法實施的。產(chǎn)品是否會失效取決于產(chǎn)品形狀、表面質(zhì)量、所用的材料以及產(chǎn)品的使用強度。

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自工業(yè)革命起,人們就已經(jīng)認識到了反復應力會導致部件失效,但“疲勞”一詞直到19世紀中葉才被創(chuàng)造出來。在20世紀的大多數(shù)時間里,工程師們都是通過手工或試算表來進行疲勞計算,因此很難完全理解結(jié)構因疲勞而失效的這個過程。我們通常用半對數(shù)圖來描繪大量加載循環(huán)(104至108次)的測試結(jié)果,Y軸是應力,X軸代表使用壽命,并以對數(shù)刻度為單位。此圖也被稱作S-N曲線或Wohler圖。這些圖表是材料模型的基礎,用于確定何時會發(fā)生材料失效。

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現(xiàn)在,設計團隊通過結(jié)合兩種計算方法,能夠以合理的準確度,針對預定負載計算出失效發(fā)生時間。利用有限元法可以仿真產(chǎn)品對加載的響應情況,并確定相應的最大應力和張力,并把這些結(jié)果與一個或多個加載歷史結(jié)合起來。加載歷史可通過加載和卸載數(shù)學函數(shù)來預測,或根據(jù)收集到的測試數(shù)據(jù)來預測,例如一輛配備有若干應變儀和加速計的測試轎車所得出的數(shù)據(jù)。利用實驗所得的材料數(shù)據(jù)(S-N曲線)并將這些數(shù)據(jù)存儲到材料庫中,我們就能很容易地確定零件在加載多少次后會因為疲勞而發(fā)生失效。這就是我們所說的產(chǎn)品壽命。

如果把同類最佳的結(jié)構仿真工具ANSYS Mechanical和領先的耐久性軟件ANSYS nCode DesignLife(工作在集成式ANSYS Workbench環(huán)境中)結(jié)合起來,就能形成獨特且強大的疲勞預測流程。Workbench利用參數(shù)對不同設計選項和設計探索進行評估,從而實現(xiàn)最優(yōu)設計。該疲勞流程能自動執(zhí)行產(chǎn)品壽命評估步驟,誤差小于人工計算方法。在Workbench項目內(nèi)部,專家還可以定義工作流程,使未獲得充分培訓的設計師能夠反復運用該工作流程,以彌補他們在疲勞專業(yè)知識方面的不足。設計完成后將流程保存起來,如果以后需還可以再次運用該流程。

疲勞仿真使產(chǎn)品設計師在評估各項權衡因素(例如使用不同的幾何結(jié)構和材料)時能做出明智的決定,從而實現(xiàn)預期的產(chǎn)品壽命。避免產(chǎn)品失效所使用的傳統(tǒng)手段是保守設計法。但在目前的經(jīng)濟形勢下,設計人員面臨的壓力在于需要在提高性能的同時,降低制造成本,提高效率,降低產(chǎn)品失效所帶來的風險。而通過仿真來優(yōu)化產(chǎn)品性能,則能實現(xiàn)出色的競爭優(yōu)勢。仿真技術將會很快成為企業(yè)生存的必備工具。

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仿真不但有助于評估多個設計方案,還能使人們深入了解產(chǎn)品壽命周期內(nèi)產(chǎn)品內(nèi)部發(fā)生的物理現(xiàn)象。在人們試圖了解疲勞失效時,測試法只能提供“是”或“否”這兩個結(jié)果。在產(chǎn)品未失效的情況下,測試法無法表明產(chǎn)品距離失效有多近,也無法表明增加少量額外負載導致失效的可能性有多大。如果產(chǎn)品在測試期間確實失效了,測試法也無法確定負載明顯減少或負載較高但載荷循環(huán)縮短的情況下失效還會不會發(fā)生。

航空航天業(yè)是最早采用疲勞仿真的行業(yè),這是因為飛行器會經(jīng)受由機身振動和增壓導致的高循環(huán)加載。噴氣發(fā)動機和起落架也會承受反復的負載。該行業(yè)的關鍵要素是減輕重量,因為過于保守(機身因此過于沉重)的設計會導致高昂的運行成本。在汽車業(yè),制造商們面臨的壓力在于需要減輕車身重量并提高燃油效率。在能源領域,人們對環(huán)境的擔憂促使該行業(yè)安裝了大量風力發(fā)電機,這類設備在旋轉(zhuǎn)過程中會承受反復的循環(huán)加載。疲勞仿真可以幫助各類機構排憂解難。

對于多數(shù)企業(yè)而言,疲勞失效可能會產(chǎn)生極其嚴重的后果,會造成巨大的資金損失,包括法定責任、維護、重新設計和保修費用以及品牌受損所造成的損失。借助現(xiàn)代仿真技術,產(chǎn)品開發(fā)人員現(xiàn)在可以顯著降低產(chǎn)品失效幾率,從而開發(fā)出競爭力更強、利潤率更高、更加耐用的產(chǎn)品。

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