UG有限元分析第5章.ppt

1、第5章 结构静力学和疲劳分析实例精讲叶轮叶片分析,本章内容简介 本实例首先利用UG NX高级仿真中的静力学【SOL 101 Linear Statics - Global Constraints】解算模块，以叶轮叶片为分析对象，依次创建有限元模型和仿真模型，计算出该模型的位移和应力值，以此作为疲劳分析的名义值，通过创建耐久性仿真方案，依次选取应力准则、应力类型和疲劳寿命准则，分别计算了两种工作转速下的结构疲劳寿命，通过查看结构的疲劳寿命、疲劳损伤程度、疲劳安全系数及强度安全系数等指标来评判该结构的疲劳性能。,本章节主要内容:,基础知识 问题描述 问题分析 操作步骤 本节小结,5.1基础知识,主

2、要内容大致分为四个部分： 疲劳分析概述 疲劳分析主要参数 疲劳分析操作流程,操作流程,5.2 问题描述,如图为某大型离心压缩机叶轮叶片的实际模型，压缩机叶轮叶片的主要破坏形式是疲劳破坏，该叶轮叶片的特点是叶片是整体压铸或采用焊接的联结方式，首先计算该结构线性静力学中的Von-Mises应力和应变值，判断结构在此工况下是否处于弹变阶段，然后按照最大应力值的工况根据一般的疲劳寿命准则，计算以下条件的疲劳寿命：,叶轮叶片实际模型,工况条件,材料为AISI_STEEL_4340（屈服极限为1178MPa，抗拉极限为1240MPa），中间叶轮孔面安装在转轴上，分别考察工作转速为29384r/min，33

3、800r/min工况下的径向与切向的位移以及应力强度情况； （1）假设该模型受到1倍名义应力值载荷，作用周期为1000000次循环，计算结构的疲劳寿命，分别按照强度安全因子、疲劳安全因子和疲劳寿命等评价指标进行查看。 （2）在上述基础上，再增加1.5倍名义应力值载荷，作用周期为500000次循环，计算结构的疲劳寿命，和上述单疲劳载荷变量条件下的疲劳寿命进行比较。,5.3 问题分析,（1）疲劳计算必须有材料的疲劳属性参数（通过大量测试并统计得到数据，并经历了众多工程项目的应用和验证）作为基础，因此，在创建有限元模型的过程中，除赋予模型密度、杨氏模量、泊松比等线性静力学计算参数外，必须指定相应的疲

4、劳属性参数。 （2）疲劳计算采用应力-寿命曲线和应变-寿命曲线，并且选取的疲劳寿命准则一般是基于应变响应值的，因此在解算结构的静力学时，需要激活其应变输出请求，这样计算出的应力和应变响应值一起作为后续疲劳计算的依据。 （3）在计算疲劳寿命之前，需要根据静力学计算结果，判断零件在工况下是处于弹变阶段还是接近于塑变阶段，这样可以合理选取相应的疲劳寿命准则。 （4）可以利用软件提供的【新建疲劳载荷变量】的功能，在一次疲劳解算方案中，允许增添多个疲劳载荷变量，为在复杂载荷工况条件下计算结构的疲劳寿命提供了条件。,5.4 操作步骤,5.4.1 结构静力学分析操作步骤 创建有限元模型 创建仿真模型 求解及

5、其解算参数的设置 5.4.2 单个载荷变量疲劳分析的操作 创建工况1的疲劳分析解算方案 查看疲劳分析结果 创建工况2的疲劳分析解算方案并查看分析结果 查看工况2的疲劳分析结果,5.4.1 结构静力学分析操作步骤,打开随书光盘part源文件所在的文件夹：Book_CDPartPart_CAE_UnfinishCh05_Impeller，选中文件impeller.prt，调出叶轮主模型。本实例先通过静力学【SOL 101 Linear Statics - Global Constraints】解算模块计算出模型的位移、应力和应变响应值，再借助耐久性解算模块分析模型在工况下的疲劳性能。,（1）创建有

6、限元模型,1）依次左键单击【开始】和【高级仿真】命令，在【仿真导航器】窗口的分级树中，单击【Impeller.prt】节点，进行新建FEM相关操作； 弹出的【新建FEM】对话框，默认【求解器】和【分析类型】中的选项，单击【确定】按钮即可进入了创建有限元模型的环境，注意在【仿真导航器】窗口分级树上出现了相关的数据节点。,新建FEM 对话框,2)自定义材料,单击工具栏中的【材料属性】图标，弹出【指派材料】对话框；,单击该命令,单击确定,AISI_STEEL_4340材料信息,3)创建物理属性,单击工具栏中的【物理属性】图标，弹出【物理属性表管理器】对话框,单击【创建】,选择材料,单击【确定】,4)

7、网格属性定义,单击工具栏中的【网格收集器（俗称为：网格属性定义）】图标，弹出【网格捕集器】对话框,单击【确定】,5)划分有限元模型网格,单击工具栏中的【3D四面体网格】图标右侧的小三角，弹出【3D四面体网格】对话框；,设置相关参数,单击确定,6）分析单元质量,单击工具栏中的【单元质量】图标，弹出【单元质量】检查对话框，在窗口中选择划分好的网格模型作为【选择对象】，单击【检查单元】按钮，在窗口顶端弹出【信息】窗口；,选择对象,单击命令,（2）创建仿真模型,在【仿真导航器】窗口分级树中，单击【Impeller_fem1.fem】节点，右键单击弹出的【新建仿真】命令，进行新建仿真相关操作。 单击弹出

8、的【新建仿真】对话框中的【确定】按钮，弹出【创建解算方案】对话框中，进行相关设置后即可进入仿真模型环境。同时注意在【仿真导航器】窗口分级树中增加了相应的节点。,解算方案对话框设置,单击工具栏中【约束类型】中的【用户定义约束】命令，弹出【用户定义约束】对话框；,1）添加用户定义约束,单击确定,设置相关参数,单击工具栏中的【载荷类型】图标右侧的小三角形符号，单击其中的【离心】图标，弹出【离心】对话框。,2）施加载荷：离心力,设置相关参数,设置相关参数,单击应用,单击确定,离心力1,离心力2,（3）求解及其解算参数的设置,在【仿真导航器】窗口的分级树中单击【Solution 1】节点，右键单击弹出的

9、【新建子工况】命令，弹出新建子工况对话框，设置相关参数，并加入相应的载荷，设置好的求解工况各个节点显示如图所示。,解算步骤设置,设置好的工况相关新增节点,（4）编辑解算方案相关操作,右键单击【Solution 1】节点选择【编辑】命令，弹出编辑【解算方案】对话框，激活【单元迭代求解器】；激活【启用STRAIN（应变）】请求选项； 单击【Solution 1】节点，右键单击弹出的【求解】命令，弹出【求解】对话框，单击【确定】按钮系统开始求解，双击出现的【结果】节点，即可进入后处理分析环境；,解算监视器,后处理节点,1）查看工况1中Von-Mises应力云图,在【后处理导航器】窗口依次展开【Sol

10、ution 1】，选择【Subcase - Static Loads 1】展开【应力-单元节点的】，双击【Von-Mises】节点，并结合其他设置，即可查看到应力云图；,工况1中Von-Mises应力云图。,按照上述的方法选择【Subcase - Static Loads 2】并展开【应力-单元节点的】，双击【Von-Mises】节点，并结合其他操作，即可查看相应的应力云图。,2）查看工况2中Von-Mises应力云图,工况2中Von-Mises应力云图。,2020/7/13,3）退出【后处理】显示模式,单击工具栏中的【返回到模型】命令，退出【后处理导航器】窗口，完成此次计算任务的操作。以上述

11、2种工况计算的Von-Mises应力和应变作为名义值参与后续的疲劳分析计算，下面开始对结构进行疲劳寿命的计算和分析。,2020/7/13,5.4.2 单个载荷变量疲劳分析的操作,下面在上述结构线性静力学分析的基础上，按照疲劳分析操作流程，依次选取应力准则、疲劳寿命准则，定义单个的载荷变量，计算结构在该疲劳条件下的疲劳寿命，通过各种结果显示方式，来评估该结构的疲劳性能。,2020/7/13,（1）创建工况1的疲劳分析解算方案,1）在【仿真导航器】窗口分级树中单击【impeller_sim1.sim】节点，右键依次单击弹出的【新建解算方案过程】，选择【耐久性】命令。默认【耐久性求解过程名称】为【D

12、urability 1】，单击【确定】命令，注意到仿真导航器窗口的分级树中出现相应的数据节点。,耐久性对话框,单击确定,2020/7/13,2）【几何优化】对话框【定义目标】设置,右键单击仿真节点【Durability 1】，选择【新建事件】图标下的【静态】图标，如图所示，默认【事件名称】为【Static Event 1】及【静态解列表】下为【Solution 1-SOL 101 SCS】。,单击确定,设置相关参数与,3）【强度】下的【编辑强度设置】,单击【强度】下的【编辑强度设置】图标，弹出如图所示的对话框；,设置相关参数,单击确定,4）【疲劳】下的【编辑疲劳设置】,切换到【几何优化】对话框

13、的【定义设计变量】窗口，如图所示，单击【创建设计变量】图标，弹出【定义设计变量】对话框，在【设计变量】中选择【草图尺寸】图标,设置相关参数,单击确定,右键单击【Durability 1】节点，选择【求解】命令，弹出【耐久性求解器】对话框；,5）求解,单击确定,（2）查看疲劳分析结果,1）在【后处理导航器】窗口的分级树中，依次展开【疲劳寿命-单元节点】、【疲劳损伤-单元节点】、【疲劳安全系数-单元节点】和【强度安全系数-单元节点】4个节点，如图所示。,相应节点,2）【疲劳寿命-单元节点】下面的【标量】云图,双击【疲劳寿命-单元节点】下面的【标量】节点，在图形窗口即可出现模型在疲劳工况下的疲劳寿命

14、云图，如图所示。,疲劳寿命-单元节点,3）设置后处理视图中【翻转频谱】,在上述疲劳寿命云图基础上，单击相应的【Post View 2】节点，右键单击弹出的【编辑】命令，弹出【后处理视图】对话框，设置【红灯】为【翻转频谱】选项，查看这样的视图非常直观。,设置相关参数,翻转频谱后的云图,将视图颜色调整回【结构】，不勾选【翻转频谱】，双击【疲劳损伤-单元节点】下面的【标量】节点，查看云图；,结构疲劳损伤云图,4）查看在疲劳工况下的疲劳损伤云图,双击【疲劳安全因子】下面的【标量】节点，在图形窗口即可出现模型在疲劳工况下的疲劳安全因子云图；,疲劳安全因子云图,5）查看疲劳安全因子云图,双击【强度安全系数

15、】下面的【标量】节点，在图形窗口即可出现模型在疲劳工况下的强度安全系数云图。,强度安全系数云图,6）查看强度安全系数云图,右键单击仿真节点【Durability 1】，选择【克隆】命令，按照上面所述的方法创建工况2的疲劳分析解算方案，在【载荷图样】中选择【Subcase Static Loads 2】； 右键单击【Durability 2】节点，激活该解算方案，选择【求解】命令进行求解。,载荷图样对话框,（3）创建工况2的疲劳分析解算方案并求解,设置相关参数,新建耐久性2解算方案节点,单击确定,在【后处理导航器】窗口依次展开【疲劳寿命-单元节点】、【疲劳损伤-单元节点】、【疲劳安全系数-单元节

16、点】和【强度安全系数-单元节点】下的4个【标量】节点，查看云图。,（4）查看工况2的疲劳分析结果,结构疲劳损伤云图,调整过颜色的疲劳寿命分析结果,强度安全系数显示结果,疲劳安全系数的分析结果,单击工具栏中的【返回到模型】命令，退出【后处理导航器】窗口，单击工具栏中的【保存】命令，完成此次计算任务的操作。 本实例叶轮叶片模型中静力学解算结果、2种转速工况下的疲劳寿命分析输出结果的显示，请参考随书光盘Book_CDPartPart_CAE_FinishCh05_Impeller文件夹中相关文件，操作过程的演示请参考随书光盘文件Book_CDAVICh05_ Impeller_AVI。,（5）退出后处理模式,5.5 本章总结,（1）本实例还可以克隆多个线性静力学解算方案，在相同的工况条件和疲劳载荷变量前提下，修改不同的疲劳寿命准则进行计算，查看疲劳分析计算结果的变化情况。 （2）如果叶轮叶片工作转速再增加，得出的应力已经超出了材料的屈服极限，那么该结构已经处于塑性变形阶段，这时需要选取应变准则（最大主应变