扳手零件的疲勞壽命分析

1、20-扳手零件的疲勞壽命分析算例來源：算例制作：孟志華算例校核：關(guān) 鍵 詞：扳手工具、疲勞分析、壽命摘要疲勞破壞是工程中常見的破壞形式，尤其是運(yùn)動(dòng)零件和承受交變荷載的零件。本算例利用ANSYS Mechanical對內(nèi)六角扳手進(jìn)行受力分析?；陟o力分析的結(jié)果，并且用Mechanical自帶的Fatigue疲勞工具，對扳手零件的疲勞壽命進(jìn)行了分析。ANSYS Mechanical自帶的Fatigue疲勞工具，使用方便，操作簡單，適合不復(fù)雜的載荷工況和數(shù)據(jù)處理，可以對一些零部件進(jìn)行快速的疲勞壽命測算。2. 案例描述機(jī)械零件，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，在工作過程中各點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間作周期性的變化

2、，這種隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）。在交變應(yīng)力的作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過較長時(shí)間的工作后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象稱為金屬的疲勞。內(nèi)六角螺栓扳手，其軸線形狀和大致尺寸如圖所示，橫截面為邊長10mm的正六邊形，受到擰緊力為200N，分析扳手工具的疲勞壽命。扳手一端固定，一端受擰緊力作用。結(jié)構(gòu)材料使用ANSYS自帶材料庫中的標(biāo)準(zhǔn)鋼材料，已經(jīng)包含了常規(guī)的鋼材疲勞壽命S-N曲線。3.1. 打開 ANSYS Workbench，導(dǎo)入零件幾何模型（1）首先啟動(dòng)ANSYS Workbench環(huán)境。（2）創(chuàng)建一個(gè)靜力分析項(xiàng)目流程：在Workbench的

3、起始界面找到左側(cè)Toolbox工具箱，用鼠標(biāo)左鍵拖動(dòng)靜力分析模塊【Static Structural】，放置在右側(cè)“項(xiàng)目流程【Project Schematic】”的空白區(qū)域，則完成一個(gè)靜力分析項(xiàng)目及流程的創(chuàng)建。3.1. 打開 ANSYS Workbench，導(dǎo)入零件幾何模型（續(xù)）（3）為靜力分析項(xiàng)目導(dǎo)入幾何模型文件：在靜力分析項(xiàng)目【Static Structural】-【Geometry】上，鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊，在彈出菜單中導(dǎo)入模型【Import Geometry】，指向扳手零件的幾何模型wrench.stp文件的路徑。.stp是一種常用的中間格式的幾何文件。3.2. 進(jìn)入Mechanical，設(shè)

4、置材料及網(wǎng)格劃分（1）打開ANSYS Mechanical模塊：在Workbench主頁面中，找到【Project Schematic】視窗下剛才創(chuàng)建的靜力分析項(xiàng)目流程，并在【Model】欄雙擊即可打開ANSYS Mechanical模塊的界面。在Mechanical的界面下，將完成除幾何建模和清理之外的網(wǎng)格劃分、賦予材料、施加荷載和約束、求解控制、后處理等工作。3.2. 進(jìn)入Mechanical，設(shè)置材料及網(wǎng)格劃分（續(xù)）（2）檢查零件對象的材料和部分高級設(shè)置：在Mechanical中，在左側(cè)目錄樹【Outline】-【Project】-【Model】-【Geometry】，左鍵點(diǎn)中“wren

5、ch” 零件，此時(shí)可在左下方的【Detail】細(xì)節(jié)設(shè)置面板中為該零件賦予材料，確認(rèn)系統(tǒng)已經(jīng)默認(rèn)賦予了Structure Steel鋼材。3.2. 進(jìn)入Mechanical，設(shè)置材料及網(wǎng)格劃分（續(xù)）（3）檢查及修改系統(tǒng)的單位制：在ANSYS Workbench環(huán)境中，系統(tǒng)包含了單位制的概念，讀者需要注意查看輸入輸出的數(shù)值均是包含單位制的。在Workbench的起始頁面以及打開各模塊后，GUI界面的頂部菜單欄，一般會(huì)有【Unit】單位制設(shè)置的菜單，可以直接修改為需要的單位制。在本例題中，單位制為毫米、公斤、牛頓、秒制。提示1：在ANSYS Workbench中的材料定義、幾何建模Spaceclai

6、m、網(wǎng)格劃分Mesh、有限元分析Mechanical等模塊之間傳遞數(shù)據(jù)和模型時(shí)，單位制是自動(dòng)轉(zhuǎn)換的，可以各自使用單獨(dú)的單位制，非常便利。3.2. 進(jìn)入Mechanical，設(shè)置材料及網(wǎng)格劃分（續(xù)）（4）定義網(wǎng)格尺寸：在左側(cè)目錄樹【Outline】-【Mesh】，鼠標(biāo)右擊，在彈出菜單中選擇【Sizing】，即添加一個(gè)網(wǎng)格尺寸的控制。（5）繼續(xù)定義網(wǎng)格尺寸：然后在界面左下角【Detail】細(xì)節(jié)設(shè)置面板中，在第“2”部分，【Geometry】處點(diǎn)選扳手零件體，并點(diǎn)擊Apply確認(rèn)。在第“3”部分，【Element Sizing】項(xiàng)上設(shè)置網(wǎng)格尺寸為1mm。3.2. 進(jìn)入Mechanical，設(shè)置材料及

7、網(wǎng)格劃分（續(xù)）（6）生成網(wǎng)格：在目錄樹【Outline】-【Mesh】，鼠標(biāo)右鍵，在彈出菜單中選擇【Generate Mesh】，即可完成網(wǎng)格劃分。劃分網(wǎng)格后的網(wǎng)格數(shù)量、質(zhì)量等信息，可以在【Mesh】相關(guān)的細(xì)節(jié)設(shè)置面板中查看。3.3. 施加載荷和邊界條件本案例需要添加一個(gè)力荷載、一個(gè)遠(yuǎn)端位移約束。3.3. 施加載荷和邊界條件（1）添加一個(gè)擰緊力載荷：在左側(cè)目錄樹中，右鍵點(diǎn)擊【Static Structural】項(xiàng)，在彈出菜單中，給出了各種荷載和約束類型，選擇“集中力【Force】”。3.3. 施加載荷和邊界條件（2）設(shè)置擰緊力荷載的參數(shù)：在新添加的Force力荷載相關(guān)的細(xì)節(jié)設(shè)置面板中，指定加載

8、對象為扳手的頂面，點(diǎn)Apply確認(rèn)。繼續(xù)在細(xì)節(jié)設(shè)置面板中，通過【Define By】選項(xiàng)設(shè)置力的定義方式為【Components】，并在三個(gè)方向分量的X方向填寫“-200N”（注意單位制和正負(fù)號）。3.3. 施加載荷和邊界條件（3）在扳手另一端添加遠(yuǎn)端位移約束：繼續(xù)在左側(cè)目錄樹中，右鍵點(diǎn)擊【Static Structural】項(xiàng)，在彈出菜單中，給出了各種荷載和約束類型，選擇添加“遠(yuǎn)端約束【Remote Displacement】”。3.3. 施加載荷和邊界條件（4）設(shè)置遠(yuǎn)端約束的相關(guān)參數(shù)：在目錄樹中點(diǎn)擊遠(yuǎn)端約束條件，然后在左下角對應(yīng)的細(xì)節(jié)設(shè)置面板【Detail】中，如下圖，在第1步區(qū)域，設(shè)置約

9、束作用的幾何對象為扳手另一端面，并點(diǎn)擊Apply確認(rèn)。在第2步區(qū)域，設(shè)置遠(yuǎn)端位移的原點(diǎn)坐標(biāo) ，該例題可不做設(shè)置，默認(rèn)為六邊形的中心點(diǎn)。在第3步區(qū)域，設(shè)置遠(yuǎn)端位移的原點(diǎn)的約束六個(gè)方向自由度，請將所有方向均設(shè)置為0。在第4步區(qū)域，保持為“deformable”可變形。3.4. 靜力分析求解本例題為常規(guī)的靜力、線性問題，因此無需進(jìn)行更多的求解控制。直接在左邊目錄樹【Outlines】中找到需要求解的靜力分析工況，即-【Static Structural】，在【Solution】欄上鼠標(biāo)右鍵，彈出菜單選Solve，進(jìn)行求解。3.5. 分析結(jié)果查看（1）添加整體Von Mises應(yīng)力結(jié)果：計(jì)算完成后，繼

10、續(xù)在左側(cè)目錄樹【outline】下的【Solution】欄，用鼠標(biāo)右鍵彈出菜單，選擇-【insert】-【stress】-【Equivalent stress/Von-mises】，即可在Solution欄下插入一個(gè)Von-mises應(yīng)力的結(jié)果。3.5. 分析結(jié)果查看（續(xù)）（2）查看Von Mises應(yīng)力結(jié)果：在目錄樹中新插入的Equivalent Stress項(xiàng)上用鼠標(biāo)右鍵，在彈出菜單中選擇“Evaluate All Results”進(jìn)行結(jié)果運(yùn)算和顯示，即可看到應(yīng)力云圖的顯示。在本例題中，Von-mises應(yīng)力最大值為217Mpa，在扳手的根部和彎角部位。3.5. 分析結(jié)果查看（續(xù)）添加整體

11、變形結(jié)果：繼續(xù)在左側(cè)目錄樹【outline】下的【Solution】，新插入一個(gè)新的【Total Deformation】應(yīng)力的結(jié)果。3.5. 分析結(jié)果查看（續(xù)）查看整體變形結(jié)果：在目錄樹中新插入的total deformation項(xiàng)上用鼠標(biāo)右鍵，在彈出菜單中選擇“Evaluate All Results”，系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)果運(yùn)算和顯示，即可看到整體變形云圖的顯示。在本例題中，扳手零件整體變形為1.6mm。3.6. 使用Fatigue工具，預(yù)測疲勞壽命機(jī)械零件，如軸、齒輪、軸承、葉片、彈簧等，在工作過程中各點(diǎn)的應(yīng)力隨時(shí)間作周期性的變化，這種隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力（也稱循環(huán)應(yīng)力）。在交變

12、應(yīng)力的作用下，雖然零件所承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)，但經(jīng)過較長時(shí)間的工作后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的現(xiàn)象稱為金屬的疲勞。本例題的扳手工具，將基于之前靜力工況的分析結(jié)果，使用ANSYS自帶的Fatigue工具進(jìn)行疲勞壽命的預(yù)測。3.6. 使用Fatigue工具，預(yù)測疲勞壽命（1）檢查確認(rèn)材料的S-N曲線：切換窗口，回到Workbench的起始頁面，在創(chuàng)建好的靜力分析項(xiàng)目流程中，雙擊【Engineering Data】，即可打開材料屬性的設(shè)置模塊。在材料設(shè)置模塊的GUI界面中，如下圖，在材料的力學(xué)屬性表中，可以看到使用了ANSYS自帶的“Structural Steel”鋼材，點(diǎn)擊其“S-N C

13、urve”欄，即可顯示并檢查鋼材料的S-N曲線圖。S-N曲線，是疲勞分析的必要材料數(shù)據(jù)。3.6. 使用Fatigue工具，預(yù)測疲勞壽命（2）添加一個(gè)疲勞分析的結(jié)果：在左側(cè)目錄樹【outline】下的【Solution】欄，用鼠標(biāo)右鍵彈出菜單，選擇-【insert】-【Fatigue】-【Fatigue Tools】，即可在Solution欄下插入一個(gè)新的Fatigue Tools的工具欄，用來進(jìn)行疲勞分析的設(shè)置和結(jié)果查看。3.6. 使用Fatigue工具，預(yù)測疲勞壽命（3）設(shè)置疲勞分析的必要參數(shù)：選中在左側(cè)目錄樹新創(chuàng)建的Fatigue Tools工具欄，在相應(yīng)的“細(xì)節(jié)設(shè)置面板”中，可以設(shè)置疲勞

14、分析所需的參數(shù)。在本例題中，首先設(shè)置載荷循環(huán)的類型【Loading】-【Type】為“zero-Based”，即載荷循環(huán)是從0到最大荷載的等幅交變載荷，模擬加載-卸載循環(huán)的受力工況。然后，設(shè)置【Mean Stress Theory】為“Gerber”方法，即使用Gerber平均應(yīng)力修正方法，原因是該例題的平均應(yīng)力非零。其他的默認(rèn)設(shè)置保持不變。3.6. 使用Fatigue工具，預(yù)測疲勞壽命（4）添加疲勞壽命結(jié)果并運(yùn)算：在目錄樹中新創(chuàng)建的Fatigue Tools欄點(diǎn)鼠標(biāo)右鍵，在彈出菜單中可以添加各種常用的疲勞分析結(jié)果，此處選中并添加“l(fā)ife”疲勞壽命的結(jié)果。然后在目錄樹中剛創(chuàng)建的“l(fā)ife”結(jié)

15、果上，使用鼠標(biāo)右鍵，彈出菜單選擇“Evaluate All Results”。顯示出零件在該靜力工況下，疲勞壽命為循環(huán)使用1.93e5次，工程概念上代表扳手工具在擰緊-放松的循環(huán)下，可以使用19.3萬次而發(fā)生破壞。破壞的位置，在扳手的根部以及彎角的部位。3.6. 使用Fatigue工具，預(yù)測疲勞壽命（5）有興趣的讀者，可以進(jìn)一步學(xué)習(xí)疲勞分析的教材，并深入理解Fatigue工具的各種參數(shù)所對應(yīng)的疲勞計(jì)算參數(shù)。并且，可以查看包括壽命圖、損傷云圖、安全系數(shù)圖、等效交變應(yīng)力等更多結(jié)果。分析小結(jié)疲勞破壞是工程中常見的破壞形式，尤其是運(yùn)動(dòng)零件和承受交變荷載的零件。本算例利用ANSYS Mechanical對內(nèi)六角扳手進(jìn)行受力分析?；陟o力分析的