基于Ansys的微动疲劳分析工程应用研究

　　0 前言

　　微动(Fretting)是指在机械振动、疲劳载荷、电磁振动或热循环等交变载荷作用下,接触表面间发生的振幅极小的相对运动(位移幅度一般为Lm量级);微动疲劳(Fretting fatigue)是指接触表面的相对位移由一接触副承受外界的交变疲劳应力引起的变形而产生的微动,微动疲劳可以加速裂纹的萌生与扩展,使构件的疲劳寿命大大降低,微动疲劳极限甚至可低于普通疲劳极限的1/3[1],因此,微动疲劳是导致微动损伤的重要原因之一。目前,对微动疲劳的研究已经形成了较为成熟的研究方法,包括物理实验法和数值分析法,其中,数值分析法以其适用性强、成本低、周期短等优点得到了越来越广泛的应用[2]。微动疲劳广泛存在于航空航天领域,例如飞机起落架上的销轴连接以及橡胶制副油箱与机体的连接在交变载荷作用下产生微动损伤,使构件寿命大大降低,构成了很大的飞行安全隐患。为了更好地了解交变载荷在以上两种构件中的作用机制,本文作者参考有关文献给出的实例[3],通过结论与Minline理论的比较[4],验证了运用Ansys1010软件对平面/平面接触形式的微动疲劳进行三维有限元分析的正确性,并根据实际情况对刚度、材料特性这两个影响微动疲劳程度的主要因素进行了多方案的计算和分析,为掌握微动疲劳在以上构件上的发生机制,及时消除安全隐患奠定了基础。

　　1 有限元方法的验证

　　1.1 理论基础

　　部分滑移问题的求解方法首先由Cattaneo于1938年提出,并由Mindlin在1949年独立给出了球/平面接触应力分布的解,球/平面接触模型如图1所示。

　　根据Mindlin理论,当接触表面施加交变切向力

　　这里C_max可由式(2)表示:

　　1.2 模型及其有限元分析

　　由图1可知,球/平面接触可以理解为一种特殊的平面/平面接触,因此,可以把Mindlin有关球/平面理论运用到平面/平面的应力分析之中。本文作者选取图2所示平面/平面模型为研究对象,其中,上下压板受压紧力p作用,试件两端受到横向交变力T的作用。在交变力T作用下,接触表面会产生微小位移,因此存在微动。压板和试件参数如下:

E=71GPa,v=013,a=100mm,b=260mm,h=24mm,厚度d=20mm。

　　在进行有限元分析时,根据结构和所受载荷的对称性,可以选取理想模型的1/4构成简化模型,如图3所示。在模型左侧(x=0)和下侧(y=-h)施加对称边界条件,在上侧(y=2a)和右侧(x=2b)分别施加p0, s0。为了增加计算的精度,作者选取三维块状单元来划分网格,运用ContactMnager工具生成三维接触对,法向接触刚度和渗透范围为Ansys1010默认的110、011,L=018, Stiffnessmatrix设定为Unsymmetric,生成的有限元模型如图4所示。