扳手零件的疲劳寿命分析

1、20-扳手零件的疲劳寿命分析算例来源：算例制作：孟志华算例校核：关 键 词：扳手工具、疲劳分析、寿命摘要疲劳破坏是工程中常见的破坏形式，尤其是运动零件和承受交变荷载的零件。本算例利用ANSYS Mechanical对内六角扳手进行受力分析。基于静力分析的结果，并且用Mechanical自带的Fatigue疲劳工具，对扳手零件的疲劳寿命进行了分析。ANSYS Mechanical自带的Fatigue疲劳工具，使用方便，操作简单，适合不复杂的载荷工况和数据处理，可以对一些零部件进行快速的疲劳寿命测算。2. 案例描述机械零件，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

2、，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。内六角螺栓扳手，其轴线形状和大致尺寸如图所示，横截面为边长10mm的正六边形，受到拧紧力为200N，分析扳手工具的疲劳寿命。扳手一端固定，一端受拧紧力作用。结构材料使用ANSYS自带材料库中的标准钢材料，已经包含了常规的钢材疲劳寿命S-N曲线。3.1. 打开 ANSYS Workbench，导入零件几何模型（1）首先启动ANSYS Workbench环境。（2）创建一个静力分析项目流程：在Workbench的

3、起始界面找到左侧Toolbox工具箱，用鼠标左键拖动静力分析模块【Static Structural】，放置在右侧“项目流程【Project Schematic】”的空白区域，则完成一个静力分析项目及流程的创建。3.1. 打开 ANSYS Workbench，导入零件几何模型（续）（3）为静力分析项目导入几何模型文件：在静力分析项目【Static Structural】-【Geometry】上，鼠标右键点击，在弹出菜单中导入模型【Import Geometry】，指向扳手零件的几何模型wrench.stp文件的路径。.stp是一种常用的中间格式的几何文件。3.2. 进入Mechanical，设

4、置材料及网格划分（1）打开ANSYS Mechanical模块：在Workbench主页面中，找到【Project Schematic】视窗下刚才创建的静力分析项目流程，并在【Model】栏双击即可打开ANSYS Mechanical模块的界面。在Mechanical的界面下，将完成除几何建模和清理之外的网格划分、赋予材料、施加荷载和约束、求解控制、后处理等工作。3.2. 进入Mechanical，设置材料及网格划分（续）（2）检查零件对象的材料和部分高级设置：在Mechanical中，在左侧目录树【Outline】-【Project】-【Model】-【Geometry】，左键点中“wren

5、ch” 零件，此时可在左下方的【Detail】细节设置面板中为该零件赋予材料，确认系统已经默认赋予了Structure Steel钢材。3.2. 进入Mechanical，设置材料及网格划分（续）（3）检查及修改系统的单位制：在ANSYS Workbench环境中，系统包含了单位制的概念，读者需要注意查看输入输出的数值均是包含单位制的。在Workbench的起始页面以及打开各模块后，GUI界面的顶部菜单栏，一般会有【Unit】单位制设置的菜单，可以直接修改为需要的单位制。在本例题中，单位制为毫米、公斤、牛顿、秒制。提示1：在ANSYS Workbench中的材料定义、几何建模Spaceclai

6、m、网格划分Mesh、有限元分析Mechanical等模块之间传递数据和模型时，单位制是自动转换的，可以各自使用单独的单位制，非常便利。3.2. 进入Mechanical，设置材料及网格划分（续）（4）定义网格尺寸：在左侧目录树【Outline】-【Mesh】，鼠标右击，在弹出菜单中选择【Sizing】，即添加一个网格尺寸的控制。（5）继续定义网格尺寸：然后在界面左下角【Detail】细节设置面板中，在第“2”部分，【Geometry】处点选扳手零件体，并点击Apply确认。在第“3”部分，【Element Sizing】项上设置网格尺寸为1mm。3.2. 进入Mechanical，设置材料及

7、网格划分（续）（6）生成网格：在目录树【Outline】-【Mesh】，鼠标右键，在弹出菜单中选择【Generate Mesh】，即可完成网格划分。划分网格后的网格数量、质量等信息，可以在【Mesh】相关的细节设置面板中查看。3.3. 施加载荷和边界条件本案例需要添加一个力荷载、一个远端位移约束。3.3. 施加载荷和边界条件（1）添加一个拧紧力载荷：在左侧目录树中，右键点击【Static Structural】项，在弹出菜单中，给出了各种荷载和约束类型，选择“集中力【Force】”。3.3. 施加载荷和边界条件（2）设置拧紧力荷载的参数：在新添加的Force力荷载相关的细节设置面板中，指定加载

8、对象为扳手的顶面，点Apply确认。继续在细节设置面板中，通过【Define By】选项设置力的定义方式为【Components】，并在三个方向分量的X方向填写“-200N”（注意单位制和正负号）。3.3. 施加载荷和边界条件（3）在扳手另一端添加远端位移约束：继续在左侧目录树中，右键点击【Static Structural】项，在弹出菜单中，给出了各种荷载和约束类型，选择添加“远端约束【Remote Displacement】”。3.3. 施加载荷和边界条件（4）设置远端约束的相关参数：在目录树中点击远端约束条件，然后在左下角对应的细节设置面板【Detail】中，如下图，在第1步区域，设置约

9、束作用的几何对象为扳手另一端面，并点击Apply确认。在第2步区域，设置远端位移的原点坐标 ，该例题可不做设置，默认为六边形的中心点。在第3步区域，设置远端位移的原点的约束六个方向自由度，请将所有方向均设置为0。在第4步区域，保持为“deformable”可变形。3.4. 静力分析求解本例题为常规的静力、线性问题，因此无需进行更多的求解控制。直接在左边目录树【Outlines】中找到需要求解的静力分析工况，即-【Static Structural】，在【Solution】栏上鼠标右键，弹出菜单选Solve，进行求解。3.5. 分析结果查看（1）添加整体Von Mises应力结果：计算完成后，继

10、续在左侧目录树【outline】下的【Solution】栏，用鼠标右键弹出菜单，选择-【insert】-【stress】-【Equivalent stress/Von-mises】，即可在Solution栏下插入一个Von-mises应力的结果。3.5. 分析结果查看（续）（2）查看Von Mises应力结果：在目录树中新插入的Equivalent Stress项上用鼠标右键，在弹出菜单中选择“Evaluate All Results”进行结果运算和显示，即可看到应力云图的显示。在本例题中，Von-mises应力最大值为217Mpa，在扳手的根部和弯角部位。3.5. 分析结果查看（续）添加整体

11、变形结果：继续在左侧目录树【outline】下的【Solution】，新插入一个新的【Total Deformation】应力的结果。3.5. 分析结果查看（续）查看整体变形结果：在目录树中新插入的total deformation项上用鼠标右键，在弹出菜单中选择“Evaluate All Results”，系统进行结果运算和显示，即可看到整体变形云图的显示。在本例题中，扳手零件整体变形为1.6mm。3.6. 使用Fatigue工具，预测疲劳寿命机械零件，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

12、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。本例题的扳手工具，将基于之前静力工况的分析结果，使用ANSYS自带的Fatigue工具进行疲劳寿命的预测。3.6. 使用Fatigue工具，预测疲劳寿命（1）检查确认材料的S-N曲线：切换窗口，回到Workbench的起始页面，在创建好的静力分析项目流程中，双击【Engineering Data】，即可打开材料属性的设置模块。在材料设置模块的GUI界面中，如下图，在材料的力学属性表中，可以看到使用了ANSYS自带的“Structural Steel”钢材，点击其“S-N C

13、urve”栏，即可显示并检查钢材料的S-N曲线图。S-N曲线，是疲劳分析的必要材料数据。3.6. 使用Fatigue工具，预测疲劳寿命（2）添加一个疲劳分析的结果：在左侧目录树【outline】下的【Solution】栏，用鼠标右键弹出菜单，选择-【insert】-【Fatigue】-【Fatigue Tools】，即可在Solution栏下插入一个新的Fatigue Tools的工具栏，用来进行疲劳分析的设置和结果查看。3.6. 使用Fatigue工具，预测疲劳寿命（3）设置疲劳分析的必要参数：选中在左侧目录树新创建的Fatigue Tools工具栏，在相应的“细节设置面板”中，可以设置疲劳

14、分析所需的参数。在本例题中，首先设置载荷循环的类型【Loading】-【Type】为“zero-Based”，即载荷循环是从0到最大荷载的等幅交变载荷，模拟加载-卸载循环的受力工况。然后，设置【Mean Stress Theory】为“Gerber”方法，即使用Gerber平均应力修正方法，原因是该例题的平均应力非零。其他的默认设置保持不变。3.6. 使用Fatigue工具，预测疲劳寿命（4）添加疲劳寿命结果并运算：在目录树中新创建的Fatigue Tools栏点鼠标右键，在弹出菜单中可以添加各种常用的疲劳分析结果，此处选中并添加“life”疲劳寿命的结果。然后在目录树中刚创建的“life”结

15、果上，使用鼠标右键，弹出菜单选择“Evaluate All Results”。显示出零件在该静力工况下，疲劳寿命为循环使用1.93e5次，工程概念上代表扳手工具在拧紧-放松的循环下，可以使用19.3万次而发生破坏。破坏的位置，在扳手的根部以及弯角的部位。3.6. 使用Fatigue工具，预测疲劳寿命（5）有兴趣的读者，可以进一步学习疲劳分析的教材，并深入理解Fatigue工具的各种参数所对应的疲劳计算参数。并且，可以查看包括寿命图、损伤云图、安全系数图、等效交变应力等更多结果。分析小结疲劳破坏是工程中常见的破坏形式，尤其是运动零件和承受交变荷载的零件。本算例利用ANSYS Mechanical对内六角扳手进行受力分析。基于静力分析的