基于ansys的桥桥壳疲劳寿命分析

基于ansys的桥桥壳疲劳寿命分析

本实用新型钢冲焊接头是一种广泛使用的汽车外壳。动力桥外壳是主要车辆的传统能力和承载能力。汽车行驶状态是复杂的,车桥工况比较恶劣,而桥壳是车辆上工况最恶劣的部件。使用过程中,桥壳承受不同程度和不同工况的交变载荷,极易产生微观裂纹并进一步扩展从而形成宏观裂纹,造成疲劳断裂。采用传统理论对桥壳进行疲劳分析很难得到满意结果,本文利用有限元软件ANSYS对桥壳进行瞬态动力学分析,并在此基础上对桥壳进行疲劳寿命分析。1桥和桥外壳的瞬态动力学分析1.1桥壳的二维特征借助pro/e软件建立桥壳的实体模型,其分布质量与实际一致,如图1所示。所建立的模型简化了原有桥壳的细节特征,以提高随后有限元前后处理和求解的效率。简化模型的一般原则是在保证原有结构力学性能不发生改变的前提下,对于非关键区域的特征以及通过试算获得分析对象的整体应力场分布中应力水平较低的部件,可以予以忽略。1.2螺母外壳的性能参数和材料属性桥壳的性能参数和材料属性见表1和表2。1.3桥壳焊接区域的划分将桥壳的三维实体模型导入软件ANSYS-workbench中,依次把每个零部件划分网格,在轴头与桥壳壳体、后盖与桥壳壳体之间设立接触对来模拟桥壳焊接区域的连接方式,采用20节点六面体solid186单元划分网格,得到45355个单元,178345个节点。有限元模型如图2所示。1.4约束施加的载荷根据汽车驱动桥台架试验方法,在桥壳有限元模型上施加约束,约束车轮中心线处的3个平动自由度,即车轮中心线处的节点X、Y、Z方向位移为0,约束定义如图3所示,在板簧座表面施加的载荷谱如图4所示。1.5桥壳应力分析有限单元法把要分析的对象视为有限多个仅在节点处相互连接的单元,对不同的单元分别假设不同的内部位移模式,并用节点位移来描述。这样,只需对构成分析对象的节点位移进行求解,就可以得到单元的变形和应力。利用模态叠加法对桥壳进行瞬态动力学分析,得到桥壳的位移云图及应力云图,见图5和图6所示。由图5和图6可以看出,桥壳的最大变形发生在桥壳的中间部位,依次向两侧递减,最大位移值是1.58mm;桥壳所受到的最大等效应力值是157MPa,较高应力主要分布于桥壳壳体的圆弧过渡区域和板簧座连接处。利用ANSYS时程后处理功能,得到圆弧过渡区域及板簧座区域中某一节点处的位移和动应力的时间响应曲线,见图7和图8所示。其中曲线1和曲线2分别表示圆弧过渡区域和板簧座区域中某一节点的响应曲线。从图7和图8可以看出,桥壳壳体中段圆弧过渡区域的最大位移及动应力值分别为1.5mm和132MPa;板簧座区域的最大位移及动应力值分别为1.24mm和157MPa,桥壳壳体中段过渡圆弧区域及板簧座区域的应力值均低于桥壳壳体材料的屈服极限420MPa,满足桥壳壳体的强度要求。由于该区域基本上处于弯曲工作状态,在长期承受交变应力的作用下,可能会引起桥壳的疲劳而产生裂纹,从而导致断裂。2anasas疲劳分析疲劳寿命分析以材料或零件的δ-N曲线为基础,对照试件或结构疲劳危险部位的应力集中系数和名义应力,结合疲劳累计损伤理论,校核疲劳强度或计算疲劳寿命。在桥壳的疲劳寿命分析中,忽略桥壳焊缝结构,将桥壳作为一个整体结构进行分析。驱动桥桥壳的疲劳分析采用线性累计损伤理论进行分析。驱动桥桥壳的疲劳损伤属于高周疲劳问题,由瞬态动力学分析已知,最大位移和应力主要分布于桥壳壳体的圆弧过渡区域。所以,疲劳危险部位主要分布于壳体圆弧过渡区域。利用ANSYS疲劳分析模块对驱动桥壳进行疲劳寿命分析,分析采用应力-寿命分析方法,综合考虑平均应力、载荷条件与疲劳强度系数等疲劳影响因素。通过某钢厂对桥壳壳体的材料性能进行试验后,由试验结果拟合出材料的S-N特性曲线。利用ANSYS疲劳分析模块读取桥壳的瞬态动力学分析结果,定义材料S-N特性曲线根据台架试验加载方式,在板簧座处按照图4中的载荷谱施加载荷。通过有限元的疲劳计算,得出桥壳危险部位的疲劳寿命分布云图,如图9所示。从图9可以看出,在载荷的作用下,桥壳的疲劳估算寿命为116万次,疲劳危险部位主要分布于桥壳壳体的圆弧过渡区域。与某公司合作,制造了桥壳样品并进行台架实验。对桥壳两端加工装进行约束,在板簧座处施加交变载荷(与有限元分析中的载荷一致),得到桥壳样品的疲劳寿命值为131万次。把基于有限元法的疲劳寿命预估计算结果与台架实验结果进行比较,两者的平均误差为11.45%。实验中为了测量驱动桥壳沿轴向的应力分布情况,以与有限元分析结果进行对比,我们在桥壳的上下表面对称的安置了8对应变片,如图10所示,测量位置分别是支撑点内侧1、弹簧座内侧2和外侧3、桥壳圆弧过渡区域4。把测量数据与有限元分析结果进行对比,误差均在10%以内。分析产生误差的原因:1).建立有限元模型时,简化了许多结构的细小部分,如台阶、倒角、开槽开孔等,造成两者结果有一些差异;2).有限元分析中对桥壳的约束设置与实验情况不完全一致;3).有限元分析时的测点和实验中测点的位置存在差异,并不是完全精确到同一点。实验结果如图11所示,可以看出有限元计算结果与实际疲劳实验结果有较好的吻合。从断裂源区附近的宏观照片,可隐约看到由外向里的疲劳辉纹,辉纹很短而且不连续,轮廓也不明显,属于典型的钢材疲劳辉纹。桥壳表面焊缝处出现轻微裂纹,由此可判断桥壳属于高周疲劳破坏,即疲劳破坏引发桥壳产生微裂纹,微裂纹继续发展成裂缝,当裂缝扩展到一定程度,桥壳材料强度不足,使得桥壳突然断裂。3桥壳疲劳特性分析(1)桥壳壳体中段圆弧过渡区域动应力较大,在低阶振型还存在较大变形,是比较危险的区域。可以通过增加桥壳壳体中段圆弧过渡区域的桥壳厚度的方式来改善该区域的动力响应,以近一步提高桥壳的抗疲劳性。(2)在对桥壳进行瞬态动力学分析的基础上,采用AN-SYS-Fatigue疲劳分析模块对桥壳进行疲劳寿命分析,得到桥壳危险部位的疲劳寿命分布云图。经分析,驱动桥桥壳在使用寿命内满足疲劳强