基于ansys workbench的裂纹疲劳分析方法

1、，杨衎，(庆安，陕西，西安，710077)，航空设备摘要：本文基于有限元ANSYS Workbench 的结果，结合疲劳裂纹扩展理论，研究了基于 ANSYS Workbench 计算结果裂纹疲劳的分析方法。通过模拟含裂纹套筒的算例，最终给出了基于 ANSYS Workbench 的裂纹疲劳分析方法。：有限元分析，应力强度因子，断裂韧度The Study otigueysis Method aborack PropagationBased on ANSYS Workbench(Ma Mina, Liu Xiaotao,Kan, Gu Wei)(Aviation Equipment Institu

2、te, Qingan Group Co., Xian710077,Shaanxi Province, China)Abstract Coupling with the theory otigue crack propagation, this pr studiedysis otigue aboutcrack propagation based on results of finite elementysis by ANSYS Workbench. Through simulation of onerack propagation was got.muff contained crack, th

3、e method otigueysis aboKeyword finite elementysis, stressensity factor, fracture toughness作者简介：(1985.12-)，女（陕西西安），助理工程师，工程力学，：mamina-1987，：，地址：陕西省西安市大庆路 628 号庆安航空设备，：710077。1 引言强度、刚度和疲劳是对结构工程和机械工程使用的三个基本要求。疲劳与断裂是引起结构构件和机械零件失效的最主要原因。因此开展结构捕捞研究有着重要意义。在 21 世纪的今天，人们对传统强度，即静载荷作用、无缺陷材料的强度，这些理论的认识已相当深刻，工程中

4、强度设计的实验经验和积累也十分丰富，对于传统强度的控制能力也大大增加。然而工作周期长，材料本身存在缺陷等各方面，使得工程实际都具有复杂性，因此疲劳与断裂的失效在工程供越来越突出。疲劳破坏是在足够多次的扰动载荷作用之后，形成裂纹或完全断裂。疲劳破坏是一个损伤累积的发展过程，整个过程包括微裂纹的生成与扩展、宏裂纹的形成与扩展、最后导致材料的断裂破坏。在实际工程中，常常遇到对以产生裂纹构件或存在材料缺陷构件的剩余疲劳的估计问题。为了解决对以产生裂纹构件或存在材料缺陷构件的剩余疲劳的估算问题，本文基于有限元ANSYS Workbench 的结果，结合裂纹疲劳强度理论，给出了基于 ANSYS Workb

5、ench 计算结果裂纹疲劳的分析方法。- 1 -构件的疲劳可以认为是疲劳裂纹萌生 与裂纹扩展之和，即（1）实践证明，在总的疲劳中，所占的比例高达 90%以上，因此断裂扩展速率和段在构件疲劳中起决定作用1。这一阶（P. C. Paris）半经验定律2，得到由 ，即 (2) 其中，-裂纹初始长度，mm；-裂纹临界尺寸，mm； ，为裂纹结构的几何形状因子； -为公式系数； -公式指数。要估算疲劳裂纹扩展，首先必须确定在给定载荷作用下，构件发生断裂时的临界裂纹尺寸。依据线弹性断裂判据，对于型裂纹，有* (3)其中，-材料断裂韧度，Nmm-3/2；-当前应力，MPa。将、代入公式（2），积分得 （4）

6、计算整理得到疲劳裂纹扩展计算公式如下： (5) 3 工程实例3.1 工程模型套筒结构如图 1 所示。套筒材料为 40Cr，其弹性模量 E=214GPa，泊松比为 v=0.3，抗拉强度为 742MPa；外壳体材料为 ZL104，其弹性模量 E=69GPa，泊松比为 v=0.33，抗拉强度为240MPa。- 2 -图 1 套筒结构图图 2 裂纹位置套筒工作时，每一个循环要求为：a）无控制电流的条件下工作 25min，两腔压力交变次数；b）在频率为 0.30.5Hz，幅值为 151mA 的正弦控制电流下工作 4min，两腔压力交变次数 120 次；c）两个保险活门打开状态下各工作 30s，两腔压力交

7、变次数 1 次。套筒工作 100 个循环，共 12100 次循环。由于套筒数量多，裂纹位置随机分布，现分别取裂纹位于 A、B 和 C 处（裂纹规格：深 0.09mm长 8mm），对套筒进行裂纹疲劳分析，如图 2 所示。3.2 有限元计算结果套筒有限元模型如图 3 所示。约束：对 DJ1-2F 舵机壳体一端施加固定约束，如图 4 所示。载荷：对DJ1-2F 舵机套与壳体施加油压P=5.8MPa，对壳体一端施加轴向力F=11047N，如图 5 所示。图 3 有限元模型图 4 施加约束图 5 施加载荷套筒等效应力云图计算结果如图6 所示。裂纹A、B、C 处的最大等效应力分别为134MPa，703.3

8、4MPa，102.38MPa。(a)A 处最大应力(b)B 处最大应力图 6 等效应力云图(c)C 处最大应力3.3 疲劳裂纹扩展计算A套筒材料为40Cr，断裂韧度为 = 1960 775- 3。套筒身有裂纹（目前检测最大缺陷规格为：深0.9mm长8mm），认为初始裂纹深 = 0.977，长度2: = 877。- 3 -看做有裂纹的受拉平板。由于裂纹深度较长度小得多，所以可以按具有边裂纹的半无线大受拉平板的应力强度因子 表达式来近似计算。其表达式为： = , = 1.12。公式系数 = 1.56 105 G，公式指数7 = 3.3 3 。将上述参数代入式（3）中，得到套筒 A、B、C 处的临界

9、裂纹分别为 = 54.2877, % = 1.9677 , G = 93.0477 。 取每一次循环中最小等效应力均为 0MPa ， 故 = 134MPa ，% = 703.34MPa，G = 102.38MPa。将所有参数代入式（5），得到套筒 A、B、C 处疲劳裂纹扩展分别为 = 1.87 10O， % = 334.45， G = 4.65 10O。分散系数取 3，则套筒 A、B、C 处剩余分别为 3 = 6.23 10Q， %3 = 111.48， G3 = 1.55 10O，套筒A、C 处剩余均大于工作循环次数 12100，故若裂纹在A、C 处，套筒在安全范围，然而，套筒B 出裂纹的剩余小于工作循环次数 12100，故若裂纹在B 处，套筒不安全。4 结论通过本文对疲劳裂纹扩展的研究，给出了基于 ANSYS Workbench 的裂纹疲劳分析方法。本文算例可见，基于 ANSYS Workbench 的有限元结果，结合疲劳裂纹扩展理论，快速有效地对含初始裂纹构件的疲劳裂纹扩展进行了估算。算例结果表明，初始裂纹出现在构件薄弱部位，对构件的安全性能是不利的。这对于考虑含初始裂纹构件的疲劳