ОАО «Павловский машиностроительный завод «Восход»

Расчёт усталостной прочности корпуса

Задача

Целью данного расчета являлось определение усталостной прочности корпуса.

Геометрическая модель конструкции:

Решение

Геометрическая модель была упрощена для уменьшения количества конечных элементов в зонах, малоинтересных для анализа (убрана надпись).

Конечно-элементная модель конструкции:

Граничные условия:

Для мест касания с винтами крепления и основанием применяется опора «только сжатие». В этом случае основание и винты принимаются недеформируемыми, т.е. абсолютно жёсткими.

Поверхности для приложения внутреннего давления обозначены как P, P1, P2, R, P3 и P4:

Режимы нагружения:

8 вариантов сочетаний величин внутренних давлений в полостях конструкции, т.е. 8 шагов нагружения:

Обозначение внутренней поверхности Значения давления
P
P1
P2
R
P3
P4

Для расчёта накопленного повреждения, на основе свойств алюминиевого сплава из библиотеки ANSYS nCode DesignLife, путём коррекции были созданы кривые выносливости материала корпуса таким образом, чтобы соответствовать заданному в исходных данных пределу выносливости.

Кривые выносливости при коэффициентах асимметрии цикла R=-1 и R=0

Кол-во циклов Амплитуда напряжения, МПа  
R=-1 R=0
1.000E+04 283 141
1.438E+04 271 136
2.069E+04 260 130
2.976E+04 250 125
4.281E+04 240 120
6.159E+04 231 115
8.859E+04 222 111
1.274E+05 214 107
1.833E+05 206 103
2.637E+05 199 100
3.793E+05 192 96
5.456E+05 185 93
7.848E+05 179 90
1.129E+06 173 87
1.624E+06 168 84
2.336E+06 162 81
3.360E+06 158 79
4.833E+06 153 77
6.952E+06 149 74
1.000E+07 144 72
1.000E+08 127 63.5

Результаты:

Результаты проведённого статического расчёта конструкции в ANSYS Mechanical виде картин распределения эквивалентных напряжений по Мизесу при различных вариантах нагружения: (перемещения для наглядности увеличены в 5000 раз)

№ узла Повреждение Средний показатель двуосности Коэффициент непропор-циональ- ности Доминирую- щий угол главной площадки Метод расчёта многоосности Максималь- ное напряжение Минималь- ное напряжение Долгове-чность
1 210972 86.94 -0.00566 0.009124 -37.75 Normal 157.2 -54.23 0.0115
2 210268 54.66 -0.01425 0.009537 38.09 Normal 150.2 -48.47 0.01829
3 238905 3.56E-04 0.1819 0.08289 -72.17 Normal 129.3 0.6557 2808
4 238743 3.11E-04 -0.2031 0.3471 47.57 Critical Plane 125.8 0.2031 3217
5 238743 2.39E-04 -0.2031 0.3471 47.57 Critical Plane 124.1 0.2034 4176
6 237629 1.53E-04 -0.1231 0.2606 -24.54 Critical Plane 121.4 0.2663 6533
7 238743 1.40E-04 -0.2031 0.3471 47.57 Critical Plane 120.2 0.1938 7160
8 238741 1.10E-04 -0.06106 0.2387 25.05 Normal 119.1 0.2612 9098
9 237629 1.02E-04 -0.1231 0.2606 -24.54 Critical Plane 118.8 0.2692 9764
10 237629 8.91E-05 -0.1231 0.2606 -24.54 Critical Plane 117.7 0.2533 1.12E+04
11 238904 7.76E-05 0.236 0.05931 -41.29 Normal 119 0.6468 1.29E+04
12 238743 6.29E-05 -0.2031 0.3471 47.57 Critical Plane 115.2 0.1947 1.59E+04
13 237630 1.14E-09 -0.2127 0.3438 -47.23 Critical Plane 112.6 0.1928 8.76E+08
14 238028 1.09E-09 0.2384 0.0526 37.94 Normal 112.7 0.6183 9.21E+08

Распределение коэффициента непропорциональности нагружения:

Чем ближе данный показатель к нулю, тем нагружение ближе к пропорциональному.

Средняя величина показателя двухосного напряжённо-деформированного состояния (0 - одноосное; -1 чистый сдвиг; 1 - двухосное)

Поскольку испытания на усталость, в основном, проводят при одноосном НДС, то данный показатель очень полезен для оценки достоверности полученных результатов. Чем тип НДС ближе к НДС при испытании материла, тем точнее результат.

Распределение максимальных напряжений в конструкции за все режимы нагружения:

Можно сделать вывод о том, что в двух выявленных опасных точках конструкции при циклическом испытании возможно зарождение усталостных трещин. Однако, в данных районах существует сингулярность напряжённого состояния (резкие изменения геометрии, "острые" углы и кромки, которые в реальной конструкции имеют конечные размеры), поэтому данная модель не может обеспечивать достоверность результата усталостного расчёта, поскольку в этих областях низкая точность определения величин действующих напряжений. Поиск сходимости результата по сетке в данных районах не увенчался успехом, что подтверждает сингулярное НДС.

В связи с этим, для получения достоверных результатов расчёта необходимо дополнить исходную геометрическую модель мелкими деталями (фасками, галтелями и скруглениями), которые существуют в реальной конструкции.