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 поверхностиЗначения 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 цикловАмплитуда напряжения, МПа 
R=-1R=0
1.000E+04283141
1.438E+04271136
2.069E+04260130
2.976E+04250125
4.281E+04240120
6.159E+04231115
8.859E+04222111
1.274E+05214107
1.833E+05206103
2.637E+05199100
3.793E+0519296
5.456E+0518593
7.848E+0517990
1.129E+0617387
1.624E+0616884
2.336E+0616281
3.360E+0615879
4.833E+0615377
6.952E+0614974
1.000E+0714472
1.000E+0812763.5

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)

№ узлаПовреждениеСредний показатель двуосностиКоэффициент непропор-циональ- ностиДоминирую- щий угол главной площадкиМетод расчёта многоосностиМаксималь- ное напряжениеМинималь- ное напряжениеДолгове-чность
121097286.94-0.005660.009124-37.75Normal157.2-54.230.0115
221026854.66-0.014250.00953738.09Normal150.2-48.470.01829
32389053.56E-040.18190.08289-72.17Normal129.30.65572808
42387433.11E-04-0.20310.347147.57Critical Plane125.80.20313217
52387432.39E-04-0.20310.347147.57Critical Plane124.10.20344176
62376291.53E-04-0.12310.2606-24.54Critical Plane121.40.26636533
72387431.40E-04-0.20310.347147.57Critical Plane120.20.19387160
82387411.10E-04-0.061060.238725.05Normal119.10.26129098
92376291.02E-04-0.12310.2606-24.54Critical Plane118.80.26929764
102376298.91E-05-0.12310.2606-24.54Critical Plane117.70.25331.12E+04
112389047.76E-050.2360.05931-41.29Normal1190.64681.29E+04
122387436.29E-05-0.20310.347147.57Critical Plane115.20.19471.59E+04
132376301.14E-09-0.21270.3438-47.23Critical Plane112.60.19288.76E+08
142380281.09E-090.23840.052637.94Normal112.70.61839.21E+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.