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结构疲劳分析技术新进展

结构疲劳分析技术新进展

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结构疲劳分析技术新进展

安世亚太 雷先华

众所周知,疲劳累积损伤是导致航空产品结构失效的主要原因之一,而结构失效往往给航空器带来灾难性后果,因而在现代航空产品设计中通常要求进行较为准确的结构疲劳寿命预测。由于疲劳的形式和影响结构疲劳的因素都非常繁多,因而并没有一套放之四海而皆准的疲劳寿命预测算法,多数算法都只能在某些特定情况下才能获得满足工程精度要求的预测结果。现代疲劳分析软件通常需要在通用疲劳算法的丰富性和先进性(核心)、有限元应力应变计算的准确性和精确性(基础)、以及针对特殊疲劳问题进行处理的方法多样性和完整性(全面)等方面进行持续不断的改进方能较好地满足工程设计的要求。下面我们以安世亚太高级疲劳分析软件Fe-safe为例,简要阐述其在这些方面的新进展。

1.基于临界平面法的精确多轴疲劳算法

航空器上的零部件通常都是在多轴疲劳载荷作用下工作,此时,材料的循环应力应变关系由于受到加载路径的影响而变得相当复杂。目前,多轴疲劳破坏的准则主要有三大类:应力准则、应变准则和能量准则。众多分析及试验对比证明,组合最大剪应变和法向应变的Brown-Miller准则和Wang-Brown准则对于韧性材料具有最好的计算精度,而主应变准则则适合于脆性材料。

对于航空结构中常见的、而且是最复杂的多轴非比例加载情况,由于载荷间的相位关系在不断变化,结构中每个位置点处的主应力/应变、最大剪应力/应变等参数的方向(所在平面)都是随加载历程而不断变化的,也就是说损伤累积在每个位置处都有方向性。对于很多软件所采用的Wang-Brown准则,它无法直接考虑这种方向变化性,只是利用了一个附加的材料参数来考虑法向应变对裂纹萌生的影响。

Fe-safe独特地提供了“临界平面”算法来配合Brown-Miller准则、主应变准则等,以获得最好的计算精度。临界平面法的核心思想是:将每个位置处的应变分解到按某种规律变化的一系列平面上,计算每个平面上的损伤,以这些平面中的最小寿命作为该位置的寿命。

2.独特的焊接结构疲劳算法

焊接连接是航空器上非常常见的结构连接方式,在航空结构设计中具有非常重要的地位,但焊接部位同时也是最容易产生疲劳裂纹问题的位置。现有疲劳分析软件几乎无一例外都是按照“焊接分类”(如英国BS7608标准)的方法来进行焊接结构疲劳分析的,该方法在大量工程实例的基础上根据预期的疲劳裂纹位置而将焊接结构分为数个类型(B、C、D、E、F、F2、G、W等),每个类型对应一条相互平行的S-N曲线用于疲劳评估。因此,在焊接结构疲劳分析中存在两个主要问题极大地影响了其工程应用:一是焊接分类的标准难以把握(事实上焊接类型是无穷多的);二是由于焊接位置通常都是应力集中位置,难以精确计算应力分布。

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2006年最新版本的Fe-safe 引入了一个全新的“Verity ”模块,可以很好地解决上述问题。该模块的核心技术来源于美国著

名的科技研发公司Battelle 的JIP (Joint

Industry Project )项目研究成果,其主要

技术特点如下:

1) “网格不敏感”结构应力计算方

法SSM (Mesh-insensitive Structural

Stress Method )

具有有限元分析经验的人都非常清楚,有限元网格的大小(疏密)对结构应

力计算的结果有较大影响,在应力集中位置(焊接位置通常有应力集中),其影响更大,因此非常不利于疲劳寿命的准确预测。Battelle 的专利技术“Mesh-insensitive Structural Stress Method ”是在各通用有限元分析程序(ANSYS 、NASTRAN 、ABAQUS )的计算结果基础上,针对板壳、实体等结构连接形式,专门开发了一系列专用后处理程序修正计算结果,使得最终的计算结果不具有网格敏感性,即在各种网格情况下都能获得精确一致的应力数据。

2) 采用一个统一的“主S-N 曲线”(Master S-N Curve )预测焊接疲劳

如前所述,传统的焊接疲劳分析技术采用的是

焊接分类法,以一系列相互平行的基于名义应力的

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S-N 曲线来描述各种不同焊接连接方式在不同加载

状态下的疲劳特性。Battelle 科研人员在前述“网格

不敏感”结构应力计算方法的基础上,考虑应力集

中、厚度、载荷等因素对焊接疲劳寿命的影响,研

究出一个“等效结构应力幅参数”,将上述“基于

名义应力的焊接分类S-N ‘曲线簇’”“压缩”成一

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个单一的基于等效应力的“主S-N 曲线”。为了验证

该“主S-N 曲线”的有效性,Battelle 对比分析了自

1947年以来的数千个焊接疲劳试验数据,这些试验

数据涵盖各种不同的焊接类型、焊板厚度、载荷模

式等,具有极好的预测效果。

国际著名的疲劳设计专家、福特公司的Hari Agrawal 博士是这样称赞Verity 技术的:“这是一个强大的、极具包容力的方法。无论谁使用,都会得到一致的答案。不管是什么样的疲劳载荷、也不管是什么样的焊接类型,采用该技术进行模拟都将提供精确预测焊缝疲劳寿命的方法。”

3. 特殊疲劳问题处理技术

Fe-safe 集成了大量的针对特殊疲劳问题的处理技术,大大扩展了其应用范围和应用方便性。这些技术包括:旋转机械/热力机械专用疲劳计算模块、高温/蠕变/

铸铁

/概率等专

基于名义应力的S-N 数据分布(焊接分类曲线)和基于等效应力幅参数的S N 数据(主S N SSM 方法在各种网格尺度下都可获

结构疲劳分析技术新进展

媒体文章用疲劳分析技术、可考虑缺口敏感性/表面加工/残余应力等各种影响疲劳寿命的因素、内置材料库含数百种材料的疲劳特性数据等等,这些技术使Fe-safe对航空产品的疲劳分析

设计具有非常独特的优势。