金属材料疲劳性能的数值模拟
摘要:金属广泛地用于生产生活中,所以金属的疲劳也渐渐被人们关注。采用有限元软件(Fatigue)对金属材料在不同轴向载荷条件下进行疲劳性能模拟并进行了分析,分析表明,交变应力的应力幅值一定时,疲劳寿命随着平均应力的增大而减小,且拉应力更容易产生疲劳破坏;在交变载荷平均应力一定的情况下,随着应力幅值的增加,疲劳寿命逐渐减小。
关键词:金属材料;疲劳性能;数值模拟
随着人们生活水平的日益提高,金属也越来越广泛地应用于各行各业,因而金属的疲劳性能也越来越被人们关注。什么是金属的疲劳?这里引用美国试验与材料协会(ASTM)在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”(ASTM E206-72)中所作的定义:在某点或某些点承受扰动应力,且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的过程,称为疲劳。[1]现在的疲劳试验主要是实验模拟,由于疲劳试验的成本比较高,有限元数值模拟方法则提供了一种材料疲劳的新方法。
金属材料在使用过程中受到的交变载荷称为疲劳载荷,把相应的应力称为疲劳应力,而把载荷和应力随时间变化的历程分别称为载荷谱和应力谱。当载荷谱或应力谱的幅值和频率都不变时称为常幅加载。[2] 本文中讨论的情况均属于这种情况。与静力破坏相比,疲劳破坏的特点主要表现在以下几点:①时效性。静力破坏是一次性承受最大载荷的破坏,历时较短;疲劳破坏是承受多次反复载荷作用而产生的破坏,它的发生需要经历一个相当长的时期。②应力大小。当静载拉伸(压缩)时静应力小于屈服极限或强度极限时,静力破坏不会发生;而当交变应力小于强度极限或屈服极限时,疲劳破坏就可能发生。③破坏形式。金属结构的静力破坏取决于材料本身;但无论是脆性材料还是塑性材料,它们的疲劳破坏均属于无显著变形的脆性破坏。④断面特征。静力破坏构件的断面通常只呈现粗粒状或纤维状特征;而疲劳破坏构件的断面,总是呈现出两个区域特征,一部分是平滑的,另一部分是粗粒状或纤维状。⑤影响因素。静力破坏的抗力主要取决于材料本身;而疲劳破坏与材料的微观结构、构件的形状和尺寸、表面状况、使用条件以及外界环境都有关系。因此,对于同一种材料,静力性能数据比较集中,而疲劳数据具有相当的分散性,需要利用数理统计知识进行分析。
1尺寸及模拟参数
模拟采用厚度为5 mm,宽度为10 mm板状试样,见图1。其基本力学性能见表1。
在模拟过程中,考虑了以下两个方面:①交变应力的应力幅值一定,循环应力的平均应力分别为-40 MPa、-20 MPa、0、20 MPa、40 MPa时存活率为50%的疲劳寿命;②平均应力一定,应力幅值分别为100 MPa、110 MPa、120 MPa、130 MPa、140 MPa、150 MPa、160 MPa时存活率为50%的疲劳寿命。本文根据对称关系,取1/4模型建模,见图2。材料的疲劳曲线(S-N曲线)是通过Fatigue软件根据材料抗拉强度生成的。
当交变载荷的平均应力不为零时,在的过程中要用到Goodman修正或者Gerber修正,此处采用Goodman修正的方法,当平均应力为零时,则不采用任何方法修正。图3为应力幅140 MPa,拉应力120 MPa,压应力160 MPa,平均应力-20 MPa,存活率为50 %的疲劳寿命分布云图。其他情况的疲劳寿命见表2、表3。
由表2可得平均应力与疲劳寿命的关系图,见图4。从图中我们可以看出,交变应力的应力幅值一定时,疲劳寿命随着平均应力的增大而减小。也可以看出,金属材料受到交变载荷作用时,拉应力和压应力对疲劳的影响是不同的,若交变载荷
的拉应力大于压应力,则会对材料的寿命产生不利的影响,从而拉应力更容易产生疲劳。一般情况下,材料在受到拉应力时产生裂纹,受到压应力时会产生阻碍裂纹扩展的效应甚至裂纹闭合效应,所以,在正常使用时,尽量使材料减少受到这种载荷的影响。
图3疲劳寿命分布云图
由表3可得应力幅值与疲劳寿命的关系图,见图5。由图中可以看出,在交变载荷平均应力一定的情况下,随着应力幅值的增加,疲劳寿命逐渐减小。减小的速度与应力幅值的大小有一定的关系,当应力幅值大于120 MPa时,减小的速度增加,若疲劳寿命为一次,则为静力破坏,说明静力破坏为疲劳破坏的极限状态。
3结论
通过对金属材料的数值模拟,我们可以得出以下结论:①交变应力的应力幅一定时,疲劳寿命随着平均应力的增大而减小,而且拉应力更容易产生疲劳破坏;②在交变载荷平均应力一定的情况下,随着应力幅值的增加,疲劳寿命逐渐减小。
1 周传月、郑红霞、罗慧强.MSC.Fatigue疲劳分析应用与实例[M].北京:出版社,2005.1
2 程育仁、缪龙秀、侯炳麟.疲劳强度[M].北京:铁道出版社,1990:21
3 辛素敏.316L不锈钢表面纳米化后疲劳机理分析[D]. 贵阳:贵州大学,2009