Определение усталостной прочности корпуса

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)

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.