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ANSYS疲劳分析的应用

在传统的设计过程中，设计人员在概念或详细设计阶段通常使用简单而不真实的计算来估计产品的寿命，而对这些估计寿命的验证通常是通过一定量物理样机的耐久试验得到。不但试验周期长、耗资大，而且许多参数与失效的定量关系也不能在试验中得出，试验结论还可能受许多偶然因素的影响。因此对于产品疲劳寿命的仿真分析方法越来越受到产品设计人员的关注。

在塑料机械中，模板是注塑机最重要的零件之一，它的成本是注塑机成本的主要组成部分，模板断裂，注塑机就不能正常工作。从强度出发，当然是选用高质量的材料，而且尽量将模板做得厚一些，但这两点均提高模板造价，影响整机成本。目前模板大部分采用球墨铸铁铸造。这主要考虑：(1) 在模板上铸出加强筋或将模板掏空，可有效减少质量;(2) 由于球铁较易于精铸(树脂砂铸造)，使加工余量大大减少，可有效减少加工成本;(3) 球铁刚性较好，也具有一定强度。虽然设计者充分考虑了模板的强度、刚度，但仍然有许多模板断裂的事故发生，其原因在于模板断裂不是因为静力破坏而是因为疲劳破坏。

一、元原理及模型建立

当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，在应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏。这种在交变载荷作用下材料或结构的破坏现象称为疲劳破坏[1 ] 。

结构的疲劳破坏，首先在局部区域产生裂缝，一般是在零件和构件的表面，也可能在零件内部有缺陷处，即应力最高的区域。由于该区域代表了整个结构的疲劳强度，所以该区域称为危险区，危险区的应力、应变变化情形为结构疲劳分析中所需的应力或应变2时间历程。因此，结构疲劳应力分析的目的，就是要求得结构在承受各种负荷时，对其危险区的应力或应变响应，作为结构疲劳设计的依据之一。

在进行工程结构疲劳分析时，常应用ANSYS 软件为分析工具来确定结构的高应力危险区，并进行负荷谱转化为应力谱或应变谱的工作。本工作将引用基本理论[2]：

其中，式中，[ B ] 为应变矩阵;[ D] 为弹性矩阵;{ f e} 及[ Ke ] 为单元节点力及单元刚度矩阵。建立一组以结点位移为未知量的代数方程组，解这些方程组就可以求出物体上有限个离散结点上的位移，从而得到所需的应力和应变。

利用三维通用软件UGNX310 建立供分析用的三维几何模型。根据零件的受力情况及要求，建模时作了一些简化：(1) 忽略模板上一些对整体受力影响不大的小孔;(2) 忽略模板上四台柱孔处的小凸台;(3) 忽略顶出联接台;(4) 忽略大部分较小的圆角并作了一定的简化。同时利用ANSYS 的前处理器进行网格划分，得图1 模型。

图1 定模板有限元模型

二、ANSYS/ FE2SAFE分析

用ANSYS FE2SAFE 读取有限元分析计算出的单位载荷或实际工作载荷下的弹性应力，然后根据实际载荷工况和交变载荷形式将结果比例迭加以产生工作应力时间历程;也可换算成特定类型载荷作用下的弹塑性应力。ANSYS/ FE2SAFE 采用广泛使用的应力2寿命方法，综合考虑平均应力、载荷条件与疲劳强度系数等疲劳影响因素并按线性累积损伤理论[3 ]进行疲劳计算。

ANSYS/ FE2SAFE 进行疲劳分析包含三个步骤：材料疲劳性能参数设定、疲劳分析与疲劳结果评估。

定模板的材料为QT50027A，其弹性模量和泊松比分别为E = 173 GPa 和0.3，其疲劳特性曲线如图2。

图2 球墨铸铁疲劳特性曲线

建立疲劳分析如下：1) 注塑机的定模板受到模具施加同样大小的(160 t 均布于中央Φ 320 mm范围内) 反力;2) 边界条件则因该零件的四个台阶孔的X 与Y 方向被固定，故限制其X 与Y 方向的自由度，而Z 方向的自由度由前模板的四个圆孔限制;3) 设定疲劳强度换算系数( Kf ) 为0.9 ;4) 确定疲劳载荷类型为History Data (并输入1，1，0，0) ;5) 设定设计寿命为107 个循环周期。

三、结果与讨论

图3 是160 t 锁模力的注塑机的定模板结构分析结果。从图3 可看出，最大变形发生在定模板中央，最大变形量为0.268 mm，最大Von Mises 应力发生在四台柱孔处，最大应力为246.785 MPa 。QT50027 的强度为σb = 500 MPa，σ0.2 = 320 MPa 。从分析结果看，不管采用何种应力理论，其最大应力与零件所用材料的σ0.2相比较，均有一定的安全系数。由于零件所用材料球墨铸铁为脆性材料，可采用第一强度理论进行校核，即最大拉应力(第一主应力σ1) 不应超过某一数值。该零件受载荷是σ0.2/σ1 = 2.413，应该说，强度储备是足够的。

a - 总变形图

b - 等效应力图

图3 160 t 定模板结构分析结果

对160 t (图4) 和120 t (图5) 锁模力的注塑机的定模板进行疲劳分析可知：等效交变应力最大值也在四台阶孔处，数值为210.365 MPa 和246.785 MPa ，疲劳寿命最低发生在四台阶孔，数值分别为1.438 ×105 和2.523 ×105，指定设计寿命条件(1 ×107) 下的疲劳损伤以及最小安全系数亦在四台阶孔处。

a - 疲劳寿命图

b - 安全系数图

图4 160 t 定模板疲劳寿命与安全系数图

图5 120 t 定模板寿命图

定模板由于本身几何形状复杂及与拉杆联接状况各有不同，实际应力状况比较复杂，因而在传统的定模板强度分析中，为了分析简便，把定模板沿四台阶孔对角线简化成简支梁。而实际上，四台阶孔处已锁死，应视四台阶孔处为固定端(变为悬臂梁的超静定问题) 。由材料力学中的弯曲应力、剪力以及超静定理论分析可得，模具反作用于定模板中央的压力在四台阶孔(内侧) 处产生最大的弯曲应力和剪力，在频繁的开合模作用下，使系统产生频繁冲击，这种冲击力往往是造成模板疲劳断裂的主要原因。特别是当模板采用球铁铸造时，使用时间一长，铸件产生疲劳，当有铸造缺陷时，就特别容易断裂;而四台阶孔(外侧) 不受这一频繁的最大弯曲应力和剪力，故可达预期寿命。从120 t 和160 t 锁模力的注塑机的定模板仿真分析也确证了这一论述。

四、结论

利用模板的有限元疲劳分析预测模板的疲劳寿命以改进模板结构，实现模板的疲劳设计。经有限元疲劳分析分析得出定模板四台阶孔处为薄弱区，所以在模板设计中不应使四台阶孔内侧处太薄，且与四台阶孔对角线连接处加强筋应加宽，否则易发生危险。

说明：本信息