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1、基于ANSYS的XCQ16钢轴向疲劳实验与有限元仿真文章描述了经过测试XCQ16钢的力学性能，在实验中获得疲劳寿命曲线，在疲劳损伤累积理论的基础上，通过有限元分析，利用ANSYS中疲劳分析模块，仿真模拟了XCQ16轴向疲劳实验，完成对XCQ16钢的试样疲劳寿命预测。仿真结果表明轴向疲劳仿真是可行的。传统的半挂拖车车桥采用三段式组焊结构，加工工艺复杂，焊接质量难以保证，产品抗疲劳性能差，使用寿命低。针对以上问题，某钢铁公司开发了整体式热成形车轴无缝钢管材料XCQ16及成形工艺，该材料通过墩粗、旋压轧、热处理、机加工和表面处理等工序，整体成形半挂车车桥。与焊接桥相比，整体式车桥具有重量轻、刚性好、
2、使用寿命长等优点，并杜绝了焊接过程中可能出现的质量隐患，提高了使用安全性。半挂车车桥通过悬架与车架相连，其两侧安装从动车轮，用以在车架与车轮之间传递交变的铅垂力、纵向力和横向力，还承受和传递制动力矩，使用工况较为复杂。疲劳是由于载荷的交变作用，导致零部件材料内部的损伤积累，发生破坏的最大应力水平低于极限静强度，且往往低于材料的屈服极限。因此，引起疲劳失效的循环载荷的峰值往往远小于根据静态断裂分析计算出的安全载荷。实际情况统计表明，车桥产品在使用过程中有80%左右的失效属于车轴材料的疲劳失效，因此对车轴材料疲劳性能的研究，成为提高车桥设计和使用性能的重要课题。实际中，循环载荷的峰值基本是通过实验
3、取得，实验花费的周期长、成本高。据有关资料统计，一个新产品有60%以上的问题可在设计阶段消除，而基于有限元技术的疲劳分析，可以得到零部件疲劳寿命分布云图。运用该方法可结合典型的验证性实验，实现对零部件疲劳寿命的准确预测，具有高效率、低成本等优点。因此，有限元仿真轴向疲劳实验对XCQ16钢结构疲劳研究具有重要的意义。本文通过测试XCQ16钢的力学性能，由实验得出疲劳寿命曲线，在ANSYS中直接建模，并利用疲劳分析模块进行疲劳分析，最后同实验结果进行了比较分析和讨论。1实验材料 XCQ16是为解决车桥在使用过程中易变形、易弯曲、易疲劳断裂和使用寿命低等问题而研制开发的整体式车桥用无缝钢管，采用了“
4、整体热成形工艺”加工成形。作为一种新型钢种，其XCQ16的主要化学成分如表1所示。表1 XCQ16的化学成分 XCQ16的力学性能如表2所示。拉伸试验试样根据GB/T228-2002规定加工。拉伸试验采用型号为WAW-600C的微机控制电液伺服万能试验机进行，拉伸速率为5mm/min，试样标距为50mm。冲击试验采用型号为JBD-300A的冲击试验机进行，试验温度为常温。冲击试验试样为10mm10mm55mm标准试样，V型缺口，缺口深度为2mm。硬度试验采用布洛维硬度计进行，硬度试验试样根据GB/1230.1-2004规定加工。表2 XCQ16的力学性能2 疲劳寿命曲线 应力疲劳试样的疲劳寿命
5、取决于材料的机械性能和施加的应力水平，通常以S-N曲线表示这种外加应力水平和试样寿命之间的关系。 引起疲劳失效的主要因素有：经历的载荷周期数；单周期内的应力变化幅度；单周期的平均应力；局部应力集中的存在。 为达到产品的要求，在给定的周期寿命和应力比的情况下，测出试样的疲劳强度，以得到车桥在要求循环次数下的最大强度。试验中，局部应力经热处理后可忽略不计。 疲劳寿命曲线通过实验取得。试样的尺寸及规格如图1所示。疲劳实验在ZHFP421型疲劳试验机上进行，采用轴向拉压加载方式控制载荷，加载频率为40Hz，应力比R=-1，加载波形为正弦波。试验环境为室温静态空气介质。图1 轴向疲劳试样 因产品的要求周
6、期数为80万次，属于高周疲劳（105107以上），而加载频率为40Hz，一根试样到规定次数的时间要6h左右，耗时长。S-N曲线通常需要测试15根以上的试样来确定，且这些光滑试样在一系列循环载荷试验后的测试数据，经过统计处理后获得的。除此之外，S-N曲线还需要进行三级以上成组法试验。实验结果的S-N曲线如图2所示。图中曲线在608-650MPa出现较大降幅，之后逐渐平缓，材料出现“无限寿命”的特征。图2 XCQ16的S-N曲线3 XCQ16的轴向疲劳仿真 为保障汽车行进中的安全性，需要知道车桥在规定循环次数下所能承受的最大应力即疲劳强度，这就要通过实验测得，但实验耗时长。通常一根试样的轴向疲劳实
7、验花费也较多，因此造成了产品的设计周期和成本的增加。 随着有限元技术的成熟，在工程领域，根据机械零件所受外部和内部条件的反应，如应力、温度等，可以利用有限元技术判断零部件是否符合设计要求，从而缩短设计周期，节约大量的实验时间和费用，同时也保证了零部件的安全性和稳定性。所以通过计算机仿真模拟轴向疲劳实验能为取得疲劳强度提供极大的方便。 仿真模拟过程在ANSYS的疲劳分析模块中进行，由图1知，试样模型具有轴对称性，取一半分析。在ANSYS中的建模如图3所示。图3 AHSYS中的试样模型 建模完成之后，在simulation模块中完成疲劳分析型。在分析之前需要对模型进行网络划分，网格大小为1mm。划
8、分完之后，整个模型共有14573个单元，62195个节点。如图4所示。图4 模型的网络划分示意图 疲劳分析过程需要输入试样的S-N曲线，材料性质，载荷类型（循环载荷），应力比等。S-N曲线已由实验得出。材料的弹性模量E=210GPa，泊松比P=0.3，应力比R=-1，一次循环载荷时间t=0.025s。载荷类型采用标准的正弦时间曲线和应力幅值。 对模型边界条件和载荷的施加同实验的工况一样，在图3中限制大径端的轴向和径向位移，使得小径端只能产生轴向位移。施加的载荷通过不断调整，以得到规定循环次数下的疲劳载荷。由XCQ16的S-N曲线可看出，循环次数达到80万次所需要的疲劳强度约在597MPa。因此
9、，模拟中初始的疲劳强度设为597MPa。根据材料学中的定义，可把597MPa作为此条件下的持久极限，为减少误差，规定持久极限为595MPa。在仿真过程分析过程中应用到了疲劳累积损伤理论（Miner法则），S-N曲线平均应力修正公式。公式1 疲劳累积损伤公式（Palmgren-Miner法则）式中：m载荷块的总数； ni第i块载荷的循环数； Ni第i个疲劳应力单独作用下疲劳裂纹形成的循环次数。 第i块的应力幅为i，根据公式(1)就可以求得规定载荷下疲劳循环的损伤之和，也即疲劳寿命。 平均应力水平往往对所得到S-N曲线有很大影响，修正平均应力水平的方法主要有Gerber法、Goodman法和Sod
10、erberg法。 上述3种法则中，Soderberg对大多数情况偏于保守；Goodman适用于脆性材料，对延性材料偏于保守；Gerber适用于延性材料，但是非线性关系，没有其他两法方便。 因为模型中的载荷为对称的循环载荷，载荷比R=-1，平均应力为0，不需修正平均应力。ANSYS中除提供了以上3种修正理论，还提供了Mean Stress Curves，其主要使用多重S-N曲线，但实验没有提供其他应力比下的数据，因此模型最终采用的是S-N-None（忽略平均应力的影响）。 由于模块中不能通过设定循环次数而模拟出疲劳强度，所以我们只能通过不断设定疲劳强度得到循环次数即疲劳寿命。虽然这增加了工作量，
11、但与实验相比，还是节省了很多人力物力。试样在疲劳强度为597MPa下的疲劳寿命图如图5所示，最小循环次数16万次。图5 疲劳强度为597MPa时的疲劳寿命分布云图 由图5可看出，在597MPa下的最小循环次数为16万次，达不到要求的80万次。危险截面的范围较宽，达到了23mm，在此强度下，试样容易断裂。所以应降低强度以获得规定的疲劳寿命。 由实验结果可看出，随着疲劳强度减小，循环次数上升，因此通过不断降低疲劳强度，获得不同强度下的疲劳寿命，直至符合要求的疲劳强度，并在得到的结果中选取了3组，如图6-图8所示。 图6中，强度568MPa下的疲劳寿命已达到54.2万次，仍小于80万次。图7中，强度
12、比图6中小了1MPa，但疲劳寿命却急剧增加，达到了90.9万次。若通过曲线观察，究其原因，试样已进入“无限寿命”阶段，此段的斜率很小。图中两种强度下的的危险截面范围都很窄。 为了验证随着强度减小，疲劳寿命上升，模拟了566MPa时的疲劳寿命，图8所示，其结果为109.8万次，与结论相符。 由图5-图8可看出，疲劳寿命达到要求时的强度在567568MPa之间，随着疲劳强度的减小，疲劳寿命逐渐增长。且都在过渡处发生断裂，危险截面的范围也逐渐减小，这与实验实际情况相符。这是因为在疲劳载荷作用下，过渡处由于受拉应力和压应力的反复作用，疲劳损伤最大，当损伤累积到一定极限时，将产生局部微观裂纹，疲劳断裂的
13、可能性也最大。在试样表面光滑无缺陷，且达到实验要求的情况下，过渡处发生最先断裂。图6 疲劳强度为568MPa时的疲劳寿命分布云图图7 疲劳强度为567MPa时的疲劳寿命分布云图图8 疲劳强度为566MPa时的疲劳寿命分布云图 图2中最大循环次数为120万次，这是因为交变应力比S-N曲线中定义的最低交变应力低，所以S-N曲线中最低应力对应的循环次数就是图中的最大寿命。4 仿真结果同实验结果对比4.1结果对比 试验结果中，循环次数达到80万次时的疲劳强度为597598MPa，而模拟结果中的疲劳强度为567568MPa，两者相差30MPa。实验结果与仿真结果的断裂处都在小径端与圆弧的过渡处。此处损伤
14、随着周期性载荷循环次数的增加而不断积累，当损伤积累到一定程度后，就发生疲劳断裂。同时，仿真出的疲劳强度约为567MPa，小于表1中的屈服强度，这也符合疲劳破坏中循环载荷的定义。4.2结果讨论 对比结果，两种疲劳强度相差约为30MPa。分析仿真过程的每一个步骤，造成这种误差的可能原因是疲劳寿命曲线的不完整性。实验中，由于时间和经费所限，得到的疲劳寿命曲线数据不全，只是在某个范围内(595650MPa)集中。而ANSYS中所需的疲劳寿命曲线要求较全，在高周疲劳所要求的次数以上，每级疲劳强度都应通过实验测得疲劳寿命。还有可能的原因就是试验样品加工的不均匀性和不准确性。实验前，测得某些试样在断裂处的直
15、径大于或小于7mm，而模型中的直径为7mm。直径的变化，相应的疲劳载荷也发生变化。这也增大了仿真结果同实验结果的误差。5 结论 (1)实验条件下，XCQ16循环80万次的条件疲劳强度在597MPa左右。 (2)ANSYS轴向疲劳仿真能够较准确地预测零件的疲劳寿命，利用ANSYS仿真模拟出了的XCQ16循环80万次时的疲劳强度，在567MPa和568MPa之间，与实验结果相差约为30MPa，误差比为5%。且能直观地显示零件的疲劳强度薄弱处，在圆弧过渡端发生断裂，与实验实际情况相符。 (3)与常规的轴向疲劳试验相比，ANSYS疲劳仿真省时、省力，这为降低机械零部件的设计生产周期和成本提供了研究意义。
