基于ANSYS二次开发的结构疲劳寿命与破坏概率可视化技术

论文摘要

疲劳破坏是工程结构和机械失效的主要原因之一,据统计约有50-90%的机械结构的破坏属于疲劳破坏,引起疲劳失效的循环载荷的峰值往往远远小于根据静态断裂分析估算出来的“安全载荷”,产品的疲劳寿命是现代设计中一个重要指标,疲劳分析在结构设计中占有重要的地位。本文针对ANSYS疲劳分析的不足,利用ANSYS提供的参数化程序设计语言（APDL）、用户界面设计语言（UIDL）和二次开发专用语言（TCL/TK）,对ANSYS进行二次开发,开发出了与ANSYS界面风格一致的FatigueTool程序模块。首先,对有限元模型进行应力分析,应用三峰谷计数法对载荷谱进行循环计数,结合材料的S-N曲线和Miner累积损伤理论,估算疲劳寿命,以叉车为计算模型,实现其全场的寿命可视化;其次,出于有限元分析对大量的时域信号处理困难的考虑,本文采用基于频域的功率谱密度法（P.S.D法）计算随机振动下构件的疲劳寿命,并结合导弹吊挂的算例,实现寿命可视化;再者,针对Miner线形累积准则的不足,考虑载荷加载的顺序效应和累积损伤统计分散性,结合汽车前轴的算例,计算出疲劳累积破坏概率,实现其全场的可视化,从另一个侧面来反映载荷对构件造成的疲劳破坏;最后,借助试验设计中拉丁超立方抽样和响应面近似模型技术,构造出目标函数和约束条件,采用主要目标法,结合飞机起落架中扭力臂的算例,开发出参数化建模程序,实现对零件的基于寿命的结构优化设计。实例计算表明,本文基于ANSYS二次开发的FatigueTool模块能够很好的应用于实际,程序是成功的有效的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 疲劳概述
• 1.2 有限元方法概述
• 1.2.1 有限元法的基本过程
• 1.2.2 有限元程序的结构和特点
• 1.3 有限元软件的发展
• 1.4 ANSYS 软件介绍
• 1.5 本文研究意义和研究内容
• 第二章 ANSYS 二次开发语言简介
• 2.1 参数化程序设计语言（APDL）
• 2.2 用户界面设计语言（UIDL）
• 2.2.1 UIDL 主要功能
• 2.2.2 UIDL 控制文件结构
• 2.2.3 ANSYS 对UIDL 控制文件的调用
• 2.3 二次开发专用语言（TCL/TK）
• 2.3.1 TCL 语言简介
• 2.3.2 TK 图形工具箱简介
• 2.3.3 TCL/TK 在ANSYS 中的使用
• 2.4 APDL、UIDL 和TCL/TK 的联合使用
• 第三章 疲劳寿命可视化技术及其应用
• 3.1 传统的名义应力法
• 3.1.1 雨流计数法
• 3.1.2 线性疲劳累积损伤理论
• 3.1.3 名义应力法估算疲劳寿命的步骤
• 3.2 功率谱密度法
• 3.2.1 功率谱密度法原理
• 3.2.2 高斯三区间法
• 3.3 宏命令实现结构全场寿命可视化
• 3.4 算例
• 3.4.1 叉车疲劳寿命可视化
• 3.4.2 导弹吊挂的疲劳寿命可视化
• 第四章 结构疲劳破坏概率可视化技术及其应用
• 4.1 疲劳寿命的分布
• 4.1.1 分布形式假设
• 4.1.2 疲劳寿命的概率密度函数
• 4.2 线性累积破坏率准则
• 4.2.1 线性累积破坏率准则
• 4.2.2 多级载荷加载下线性累积破坏准则分析
• 4.3 结构全场疲劳破坏概率可视化方法
• 4.4 算例：汽车前轴疲劳破坏率计算
• 第五章 疲劳寿命可视化技术在结构优化中的应用
• 5.1 试验设计方法
• 5.2 响应面近似模型
• 5.3 主要目标法
• 5.4 算例：飞机起落架扭力臂疲劳寿命优化设计
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文