轴的失效绝大部分属于疲劳失效,而疲劳失效对应力集中比较敏感。
在轴截面变化处,比如轴肩、环槽、横孔、键槽花键、过盈配合,都会产生应力集中,疲劳失效一般发生在这些位置。
本文主要介绍如何将仿真校核方法和经典校核方法强强联合。换言之,如何在仿真校核中利用经典方法的成果和经验。
对于重要的轴,应该校核疲劳强度。
在经典计算公式中,包含有效应力集中系数、表面质量系数、尺寸影响系数、平均应力折算系数。应力集中系数可以通过仿真计算出来,其他系数只能查表,无法直接仿真计算。
所以仿真工程师要认识到仿真的独特性,正确看待仿真方法和经典方法的区别和联系。
几何模型如下图所示,可以通过仿真计算获得倒圆角位置的应力集中系数。
为了方便逐级细化倒圆角的网格,采用四面体网格方案。
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网格粗疏下的局部应力。
网格适中下的局部应力。
网格细致下的局部应力。
局部应力的收敛解。
假设网格粗疏下的局部应力代表该处的名义应力(注意:在仿真中,网格越细致,应力集中体现就越充分。在粗疏网格下,应力集中体现不明显,所以这里只是假设)。
该处的应力集中系数:
10.522/6.9942=1.5
查阅相关资料,本文模型轴肩的有效应力集中系数约为1.55(当材料的抗拉强度为400MPa)。
细心的读者发现,在理论上,应力集中系数和几何轮廓相关,和材料参数无关,但是下表的有效应力集中系数和材料的抗拉强度相关。
确实如此,所以在疲劳计算中,有效应力集中系数和应力集中系数是有区别的,有效应力集中系数也称为疲劳缺口系数,一般会比应力集中系数略小。
在本文模型中,无论网格怎么划分,轴肩局部应力的仿真结果都会受应力集中影响,这是有限元方法决定的。
请问读者有没有办法,在仿真分析中完全排除集中集中的影响,直接获得轴肩的名义应力。