Определение усталостной прочности корпуса

Расчёт усталостной прочности корпуса

Задача

Целью данного расчета являлось определение усталостной прочности корпуса.

Геометрическая модель конструкции:

Геометрическая модель конструкции Геометрическая модель конструкции

Решение

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

Конечно-элементная модель конструкции:

Конечно-элементная модель конструкции 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.

Граничные условия Граничные условия

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

Поверхности для приложения внутреннего давления Поверхности для приложения внутреннего давления

Поверхности для приложения внутреннего давления Поверхности для приложения внутреннего давления

Поверхности для приложения внутреннего давления Поверхности для приложения внутреннего давления

Режимы нагружения:

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

Обозначение внутренней поверхности Значения давления
P Режимы нагружения
P1 Режимы нагружения
P2 Режимы нагружения
R Режимы нагружения
P3 Режимы нагружения
P4 Режимы нагружения

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 Кривые выносливости
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:

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)

Средняя величина показателя двухосного напряжённо-деформированного состояния Средняя величина показателя двухосного напряжённо-деформированного состояния

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:

Распределение максимальных напряжений в конструкции Распределение максимальных напряжений в конструкции

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.