有限元软件进行疲劳分析的若干问题

有限元软件进行疲劳分析的若干问题 装 订 线 装 订 线 装 订 线 目 录 1绪论 . 5 11绪论 . 5 1.2 疲劳强度的概念及常见的疲劳损伤类型 . 5 1.3影响疲劳强度的因素 . 5 1.4前景展望 . 6 1.5研究的目的意义 . 6 2相关背景知识 . 7 2.1背景知识 . 7 2.1.1强度理论及疲劳强度的计算主要有三种方法： . 7 2.4螺栓连接的结构设计的原则 . 13 3 Pro/E三维造型 . 14 3.1 ProE简介 . 14 3.2螺栓连接零件图 . 14 4实例分析 . 18 4.1理论分析 . 18 4.1.1计算各力的大小 . 18 4.2理论分析总结 . 20 5 ANSYS有限元分析 . 21 5.1ANSYS有限元分析 . 21 5.1.1分析软件及工作原理介绍 . 21 5.1.2 ANSYS分析求解步骤 . 22 5.2 ANSYS分析 . 22 5.3ANSYS分析总结 . 26 总 结 . 27 _ . 28 致 谢 . 30 装 订 线 1绪论 本章主要介绍疲劳强度的基本概念及疲劳损伤的类型，影响疲劳强度的因素，以及作此设计的前景、目的和意义。 1.1绪论 本次毕业研究的主要问题是在强度理论基础之上就螺栓的疲劳强度计算及分析进行研究。为了便于机器的制造、安装、运输、维修以及提高其劳动生产率等，广泛地应用各种连接。螺栓连接、键连接、销连接、铆连接、焊接、胶接、过盈连接，其中螺栓连接因为其经济性，方便性，可靠性，最常用，用的最广，因而研究其在不同工作情况下的疲劳强度对于提高连接的可靠性，安全性，机械整体的性能，整个机械行业乃至整个国民经济的增长具有重要的意义。本论文侧重研究其在交变应力情况下的强度计算机分析。在冶金，矿山，工程，运输等机械设备中，承受变载荷的螺栓连接广泛地应用着，因而研究螺栓连接疲劳强度计算分析是十分必要和有实用价值的。本论文有两方面的任务一是疲劳强度的计，二是对影响疲劳强度的因素进行分析，就螺栓的疲劳强度计算展开，以汽缸螺栓连接实例把理论分析和有限元分析相结合，然后就此得出螺栓连接疲劳计算分析的一般规律。 1.2 疲劳强度的概念及常见的疲劳损伤类型 如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。在交变应力的作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳疲劳强度是指金属材料在无限多次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。 疲劳破坏是机械零件失效的主要原因之一。据统计，在机械零件失效中大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故，所以对于轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等承受交变载荷的零件要选择疲劳强度较好的材料来制造。 1.3影响疲劳强度的因素 金属疲劳在交变应力作用下，金属材料发生的破坏现象。机械零件在交变压力作 用下，经过一段时间后，在局部高应力区形成微小裂纹，再由微小裂纹逐渐扩展以致断裂。疲劳破坏具有在时间上的突发性，在位置上的局部性及对环境和缺陷的敏感性等特点，故疲劳破坏常不易被及时发现且易于造成事故。应力幅值、平均应力大小 装 订 线 1.4前景展望 伴随着计算机技术的发展和各种分析软件的成熟，ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、MARK、ALGOR以及ADINA等为代表的一系列分析软件的不断完善，运动仿真技术的发展使其理论分析有了更加坚实可靠的手段和依据，使得其更加接近真实情况，各种仿真软件和分析系统的日趋完善使得对螺栓疲劳强度的分析计算更加科学，可信。 1.5研究的目的意义 螺栓连接的在各种设备及机械中广泛应用，连接的可靠性，安全性事关生命及整个国民经济的发展，可靠，严密的而强度理论研究是生产高强度，高质量的零部件的前提，可靠的连接是机械设备及其零部件正常，安全，高效工作的必然要求，所以进行螺栓疲劳强度的设计计算分析是发展生产的必然要求具有重大的理论和现实意义。 更多资料 LMS SYSNOISE 声振耦合分析软件 SYSNOISE是市场上最先进的声-振分析软件，但并不要求使用者是声学专 家。SYSNOISE是全球声-振领域的设计、故障诊断、优化的先驱，功能强大。从空腔的声场预测到环绕物体的声场分析，甚至可计算声场作用下结构的响应，从而帮助噪音控制工程师优化产品的声-振特性。SYSNOISE的优秀用户遍及工业界的各类技术人员，如：研究开发工程师喜欢灵活性，偶尔使用的用户需要易于理解的图形界面，设计工程师则依赖在线“向导”帮助自己完成分析。 ?振源的声辐射 从振动测量结果或有限元计算结果，计算物体表面及任意点的辐射声场。 例如：发动机、压缩机的噪声，扬声器的声辐射。 ?声场分布 预测声场中结构周围形成的声场和结构振动。 例如：潜艇探测、道路噪音屏障的隔声效果。 ?结构路径传播 计算动态激励引起的结构强迫振动响应及产生的声场。 例如：发动机支架设计、转子不平衡的影响。 ?空气路径传递损失 计算处在声场中的薄板的传递损失特性、被激起的振动大小、板两侧的声场。 例如：由发射噪音引起的卫星振动、声波穿过装饰面板的传播、洗碗机噪音。 多种耦合建模方式，多种算法 ?有限元法求解内部噪音 有限元法非常适用于封闭区域，如: 客舱、通风道、保护罩，常用于: 模拟吸能内衬、孔板或渗透墙、多孔材料; 预测共振频率和声-振模态; 在时域或频域上计算已知激励在空腔中产生的声-振响应，可考虑流动的影响 ?无限元（I-FEM）求解辐射声场 SYSNOISE采用无限元法作为补充，用于计算声-振响应和振动结构对外部声场的灵敏度。此法也可用于求解流-固耦合问题，且它非常适合多种流体问题以及求解时域问题。 全国咨询热CAE咨询、CAE软件、CAE服务、有限元分析外包广州工程仿真科技有限公司 ?边界元法求解内部声场和外部辐射声场 边界元法适合求解内部和外部声-振问题，如： ?结构的声辐射：确定结构表面或声场中任何一点的频率响应 ?计算声音散射：研究位于声场中的刚体和弹性体与声波的相互作用。 ?分析面板材料对声场的贡献量 ?计算声音传递系数和穿过墙壁、管道、消音器等的损失 ?预测耦合模态 ?通过灵敏度分析进行优化设计： ?采用逆算法，由测得的噪声求解表面振动 开放的环境，先进的求解方式 SYSNOISE很容易与以下结构分析软件 实现直接的数据交换： ?MSC/NASTRAN ?MSC/PATRAN ?ANSYS ?I-DEAS ?Hypermesh ?ABAQUS ?Pro / MECHANICA ?FemGen / Fem View 新开发的算法降低了操作和计算时间;NetSolver自动将处理任务分配给一组网络工作站; 巨型机的并行计算版本可方便地处理超大型问题;独特的声学传递向量(ATV)可快速精确地求解边界元声辐射问题。 全面的声学解决 LMS Violins: 特殊用途的有限元软件，用于预测多层板的振动和吸声效果。这种阻尼和隔振材料用于汽车和飞机内饰等。 LMS Raynoise: 采用几何声学技术，分析室内和音乐厅的声效，也用于环境和工业噪声控制。采用高级几何声学技术，分 析复杂小型空间的高频声舒适度，如汽车、火车和飞机的客舱。 全国咨询热CAE咨询、CAE软件、CAE服务、有限元分析外包广州工程仿真科技有限公司 不断创新 LMS Sysnoise 5.6版新增流体声学计算模块，用于分析流体高速流动引起的噪声（Flow-Induced Noise），与市场领先的CFD软件的接口可保证流场计算结果直接用于声学分析。可应用于：车辆外部部件的风噪，通风管，管道喷射口，风机叶片，化学分离器，? LMS FALANCS 疲劳分析软件 FALANCS是疲劳分析软件包，采用已验证的先进的技术，精确、快速、方便地预测零部件在真实载荷下的关键寿命点。 轻松处理大型工业问题， 如， 非常复杂的焊接结构受到上百个各个方向的载荷。众多专家对其精练的算法和自动处理复杂的相互作用的能力都赞不绝口。非专业人士也对其清晰的一体化设计喜爱有佳。所有人都会喜欢其开放性设计，可与已有分析工具集成使用。 自从1993年FALANCS诞生至今， LMS公司一直在与领先的研究院和主要用户合作以确保最先进的技术能够适用于工业产品的疲劳设计，并与试验严格比较以验证其分析能力。除小试样试验验证外，在超过40个咨询项目中的车辆零部件和结构上进行了与实际寿命的比较验证，不仅比较最后结果，还对中间的试验数据进行比较。 FALANCS不仅能很好地预测疲劳寿命，还能自动发现裂纹产生地点，而不需要设计者猜测何处是零部件的关键点。加速算法能使得在很短时间内完成。 ?应变寿命计算和应力寿命计算 FALANCS可用应变寿命法对裂纹产生进行预测，也可用应力寿命法对裂纹产生和总体寿命进行预测。两个方法都考虑了表面粗糙度和尺寸效应。FALANCS运用了所有的损伤累积法则和平均应力修正。另外，还可对短裂纹进行断裂力学分析。 ?支持有限元分析和试验 FALANCS不仅可与主流有限元软件集成使用，进行疲劳寿命预测，还可对试验测得的应变时间历程数据进行疲劳分析。 ?焊点和焊缝 FALANCS能处理大型结构的成百个焊点和很长的焊缝，分析时采用国际标准，多种焊点焊缝模型备选。 ?处理多向载荷只是起点 大多数的零部件都承受相互独立的多向载荷。于是我们起初就把FALANCS设计成可以处理多向非比例载荷。另外，局部应力状态经常是多轴的，主应力轴经常随时间旋转。FALANCS采用最先进的且已验证的方法处理这些问题临界平面法，考虑了由细观裂纹产生的各向异性。 ?准静态和模态叠加 如万向节之类的零部件振动频率从不会达到其固有频率，货车车架和排放系统也是。为了考虑这些情况，FALANCS支持基于准静态和模态叠加的应力分析方式。您考虑精确度和计算速度来选择最适合的分析方法。 ?运用加速算法自动检测关键部位 全国咨询热CAE咨询、CAE软件、CAE服务、有限元分析外包广州工程仿真科技有限公司 节点自动筛选技术和时间历程压缩技术，自动寻找关键部位， 可在保证准确的同时，大大提高分析效率。 ?应用环境 FALANCS可运行于Unix和Windows操作系统。支持批处理 和交互式图形界面。支持多CPU。 ?专业的结果显示 可容易地把分析结果输出到您偏爱的后处理工具进行显示。 损伤曲线在零部件表面叠加，从而能一眼就确定出破坏点。 软件优点 1 可使设计组不用推测就可知道疲劳破坏关键点和破坏时间。 2 指出潜在的疲劳问题，在制造前的设计中评估疲劳性能。 3 采用已验证的先进技术通过测试验证。 4 学习新的软件。 开放式的解决方案。可和大多数有限元软件包配合使用而不需 5 一般使用者都很容易使用且有足够的能力处理复杂问题。 6 可处理具有数十万节点和数百个载荷的大型计算工程。 7 计算速度快。可减少实际设计中的问题。 8 可使测试和分析部门能协同工作。 全国咨询热CAE咨询、CAE软件、CAE服务、有限元分析外包广州工程仿真科技有限公司 LMS Gateway: 将物理模型试验数据与虚拟模型有限元分析数据 相结合 您可曾试图比较过两个有限元软件分析的结果？ 或化费很多时间来辨别有限元分析与测试结果的差别？ 有过把振动和噪声数据从一种格式转换成另一种格式的要求？ 试过把试验数据和有限元分析的数据结合到一个计算模型中进行分析？ LMS Gateway 帮助CAE分析人员更快地完成工 作，而且结果更精确。它可以直接读取所有的主要有限元程序的动态分析结果，提供给CAE工程师所需的进行结果分析的所有工具，包括不同有限元程序分析结果的比较，与设计目标的比较，与实验结果的比较。但Gateway远不只是一个NVH数据的后处理工具。当分析结果不能满足功能要求时， Gateway将帮助您识别问题的根源，寻找解决问题的途径。 ?预试验分析 - 基于有限元模型，建立模态试验方案 - 确定最优的响应传感器的数量和位置 - 确定最优的激振器的位置和方向 - 自动生成模态试验的几何线架模型 ?有限元模型的相关分析和修正 - 将有限元结果与试验或其他有限元软件的数据进行比较， 可用： MAC, CoMAC, MACCo, FRAC, RVAC, FRFDIFF - 有限元模型缩聚以加速求解，采用Guyan, IRS和SEREP技术 - 修正有限元模型 ?灵敏度分析和优化 全国咨询热CAE咨询、CAE软件、CAE服务、有限元分析外包广州工程仿真科技有限公司 更多资料 LMS SYSNOISE 声振耦合分析软件 SYSNOISE是市场上最先进的声-振分析软件，但并不要求使用者是声学专 家。SYSNOISE是全球声-振领域的设计、故障诊断、优化的先驱，功能强大。从空腔的声场预测到环绕物体的声场分析，甚至可计算声场作用下结构的响应，从而帮助噪音控制工程师优化产品的声-振特性。SYSNOISE的优秀用户遍及工业界的各类技术人员，如：研究开发工程师喜欢灵活性，偶尔使用的用户需要易于理解的图形界面，设计工程师则依赖在线“向导”帮助自己完成分析。 ?振源的声辐射 从振动测量结果或有限元计算结果，计算物体表面及任意点的辐射声场。 例如：发动机、压缩机的噪声，扬声器的声辐射。 ?声场分布 预测声场中结构周围形成的声场和结构振动。 例如：潜艇探测、道路噪音屏障的隔声效果。 ?结构路径传播 计算动态激励引起的结构强迫振动响应及产生的声场。 例如：发动机支架设计、转子不平衡的影响。 ?空气路径传递损失 计算处在声场中的薄板的传递损失特性、被激起的振动大小、板两侧的声场。 例如：由发射噪音引起的卫星振动、声波穿过装饰面板的传播、洗碗机噪音。 多种耦合建模方式，多种算法 ?有限元法求解内部噪音 有限元法非常适用于封闭区域，如: 客舱、通风道、保护罩，常用于: 模拟吸能内衬、孔板或渗透墙、多孔材料; 预测共振频率和声-振模态; 在时域或频域上计算已知激励在空腔中产生的声-振响应，可考虑流动的影响 ?无限元（I-FEM）求解辐射声场 SYSNOISE采用无限元法作为补充，用于计算声-振响应和振动结构对外部声场的灵敏度。此法也可用于求解流-固耦合问题，且它非常适合多种流体问题以及求解时域问题。 CAE咨询、CAE软件、CAE服务、有限元分析外包广州工程仿真科技有限公司 ?边界元法求解内部声场和外部辐射声场 边界元法适合求解内部和外部声-振问题，如： ?结构的声辐射：确定结构表面或声场中任何一点的频率响应 ?计算声音散射：研究位于声场中的刚体和弹性体与声波的相互作用。 ?分析面板材料对声场的贡献量 ?计算声音传递系数和穿过墙壁、管道、消音器等的损失 ?预测耦合模态 ?通过灵敏度分析进行优化设计： ?采用逆算法，由测得的噪声求解表面振动 开放的环境，先进的求解方式 SYSNOISE很容易与以下结构分析软件 实现直接的数据交换： ?MSC/NASTRAN ?MSC/PATRAN ?ANSYS ?I-DEAS ?Hypermesh ?ABAQUS ?Pro / MECHANICA ?FemGen / Fem View 新开发的算法降低了操作和计算时间;NetSolver自动将处理任务分配给一组网络工作站; 巨型机的并行计算版本可方便地处理超大型问题;独特的声学传递向量(ATV)可快速精确地求解边界元声辐射问题。 全面的声学解决方案 LMS Violins: 特殊用途的有限元软件，用于预测多层板的振动和吸声效果。这种阻尼和隔振材料用于汽车和飞机内饰等。 LMS Raynoise: 采用几何声学技术，分析室内和音乐厅的声效，也用于环境和工业噪声控制。采用高级几何声学技术，分 析复杂小型空间的高频声舒适度，如汽车、火车和飞机的客舱。 不断创新 CAE咨询、CAE软件、CAE服务、有限元分析外包广州工程仿真科技有限公司 LMS Sysnoise 5.6版新增流体声学计算模块，用于分析流体高速流动引起的噪声（Flow-Induced Noise），与市场领先的CFD软件的接口可保证流场计算结果直接用于声学分析。可应用于：车辆外部部件的风噪，通风管，管道喷射口，风机叶片，化学分离器，? LMS FALANCS 疲劳分析软件 FALANCS是疲劳分析软件包，采用已验证的先进的技术，精确、快速、方便地预测零部件在真实载荷下的关键寿命点。 轻松处理大型工业问题， 如， 非常复杂的焊接结构受到上百个各个方向的载荷。众多专家对其精练的算法和自动处理复杂的相互作用的能力都赞不绝口。非专业人士也对其清晰的一体化设计喜爱有佳。所有人都会喜欢其开放性设计，可与已有分析工具集成使用。 自从1993年FALANCS诞生至今， LMS公司一直在与领先的研究院和主要用户合作以确保最先进的技术能够适用于工业产品的疲劳设计，并与试验严格比较以验证其分析能力。除小试样试验验证外，在超过40个咨询项目中的车辆零部件和结构上进行了与实际寿命的比较验证，不仅比较最后结果，还对中间的试验数据进行比较。 FALANCS不仅能很好地预测疲劳寿命，还能自动发现裂纹产生地点，而不需要设计者猜测何处是零部件的关键点。加速算法能使得在很短时间内完成。 ?应变寿命计算和应力寿命计算 FALANCS可用应变寿命法对裂纹产生进行预测，也可用应力寿命法对裂纹产生和总体寿命进行预测。两个方法都考虑了表面粗糙度和尺寸效应。FALANCS运用了所有的损伤累积法则和平均应力修正。另外，还可对短裂纹进行断裂力学分析。 ?支持有限元分析和试验 FALANCS不仅可与主流有限元软件集成使用，进行疲劳寿命预测，还可对试验测得的应变时间历程数据进行疲劳分析。 ?焊点和焊缝 FALANCS能处理大型结构的成百个焊点和很长的焊缝，分析时采用国际标准，多种焊点焊缝模型备选。 ?处理多向载荷只是起点 大多数的零部件都承受相互独立的多向载荷。于是我们起初就把FALANCS设计成可以处理多向非比例载荷。另外，局部应力状态经常是多轴的，主应力轴经常随时间旋转。FALANCS采用最先进的且已验证的方法处理这些问题临界平面法，考虑了由细观裂纹产生的各向异性。 ?准静态和模态叠加 如万向节之类的零部件振动频率从不会达到其固有频率，货车车架和排放系统也是。为了考虑这些情况，FALANCS支持基于准静态和模态叠加的应力分析方式。您考虑精确度和计算速度来选择最适合的分析方法。 ?运用加速算法自动检测关键部位 CAE咨询、CAE软件、CAE服务、有限元分析外包广州工程仿真科技有限公司 节点自动筛选技术和时间历程压缩技术，自动寻找关键部位， 可在保证准确的同时，大大提高分析效率。 ?应用环境 FALANCS可运行于Unix和Windows操作系统。支持批处理 和交互式图形界面。支持多CPU。 ?专业的结果显示 可容易地把分析结果输出到您偏爱的后处理工具进行显示。 损伤曲线在零部件表面叠加，从而能