螺钉断裂模拟分析总结.docx
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螺钉断裂模拟分析总结.docx
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螺钉断裂模拟分析总结
HA3.5螺钉数值模拟总结
实验步骤:
1、UG造型,根据图纸绘制,在五个螺纹处划分平面以方便后面加载。
导出parasolid格式,导入ANSYSWorkbench中分析。
2、定义材料本构关系。
Project>model>geometry>solid,在列表中选material/import,导入TitaniumAlloy;editTitaniumAlloy,在structural右边点Add/removeproperties,出现对话框,structural>nonlinear>plasticity>multilinearisotropichardening,编辑应力-应变曲线,输入数值如下:
其中最后一行为延伸出来的,实际上并没有这一段。
应变
应力
0
0
0.005
6.40E+08
0.007
8.00E+08
0.01
9.25E+08
0.015
1.01E+09
0.025
1.07E+09
0.125
1.32E+09
3、划分网格。
Methods可选自由或三角型,size输入0.0005或默认均可,然后划分网格。
4、加载。
点菜单NewAnalysis>staticstructural.选Supports>fixedsupport和remotedisplacement.按照实验要求,只露出五个螺纹,其余螺纹为固定约束,fixedsupport约束后部螺纹。
实验时是以转速控制的,每隔5°转角计算一次。
remotedisplacement,绕x轴转动,rotationX选addtoengineeringdata,editrotation.vs.time,进入编辑界面,输入数值如下表:
时间
转角
0
5
2.00E-02
5
4.00E-02
10
6.00E-02
15
8.00E-02
20
0.1
25
0.2
50
0.3
75
0.4
100
0.5
125
0.6
150
0.7
175
0.8
200
0.9
225
1
250
5、计算。
为分析螺钉断裂的控制因素,并为了与实验数据相比较,需要得到的数据有:
VON-MISES应力/应变;最大主应力/应变;最大剪应力/应变;还有扭矩(probe>momentreaction,选转动处的扭矩反力)。
然后右击solution>sol开始计算
结果分析:
所获得结果如图所示,
从螺钉扭转实验断裂的情况来看,先是第二/三节螺纹(共五节)发生屈曲,接着螺纹底径处发生裂纹,裂纹沿底径绕了一圈,最后上下螺纹贯通扭断。
从上面几个图来看,在螺纹根部出现较大值的有第一主应力/应变和最大剪应力/应变,而从下表所列数据看,只有最大主应力的变化趋势比较明显,便以第一主应力作为主要判断指标。
计算数据如下表所列:
(V-M应变及最大剪应变没什么参考意义,此处不列出)
转角
最大主应力
V-M应力
最大剪应力
最大主应变
扭矩
0
0
0
0
0
0
10.81425
7.83E+08
1.165E+09
6.72E+08
0.0096845
2.0885
21.62825
8.94E+08
1.278E+09
7.38E+08
0.011047
2.6414
35.45
9.86E+08
1.318E+09
7.61E+08
0.011748
2.9323
48.91
1.02E+09
1.319E+09
7.61E+08
0.01182
3.0704
60.8225
1.04E+09
1.319E+09
7.61E+08
0.011995
3.146
71.93
1.05E+09
1.319E+09
7.61E+08
0.012161
3.1948
82.525
1.07E+09
1.319E+09
7.61E+08
0.012318
3.2286
92.6475
1.08E+09
1.319E+09
7.6E+08
0.012372
3.254
102.3325
1.09E+09
1.319E+09
7.6E+08
0.012398
3.2733
111.6675
1.1E+09
1.319E+09
7.6E+08
0.012427
3.2883
120.7
1.11E+09
1.319E+09
7.6E+08
0.012458
3.2998
129.545
1.12E+09
1.319E+09
7.6E+08
0.012485
3.3089
138.23
1.14E+09
1.319E+09
7.6E+08
0.012512
3.3162
146.7575
1.16E+09
1.319E+09
7.6E+08
0.012534
3.3222
155.1275
1.18E+09
1.319E+09
7.6E+08
0.012552
3.3271
163.3375
1.2E+09
1.319E+09
7.6E+08
0.012567
3.3313
171.36
1.22E+09
1.319E+09
7.6E+08
0.012579
3.3346
179.2025
1.24E+09
1.319E+09
7.6E+08
0.012592
3.3373
186.8225
1.26E+09
1.319E+09
7.6E+08
0.012601
3.3394
194.28
1.28E+09
1.319E+09
7.6E+08
0.012607
3.3411
201.6075
1.29E+09
1.319E+09
7.6E+08
0.012615
3.3425
208.84
1.31E+09
1.319E+09
7.61E+08
0.012625
3.3438
215.205
1.33E+09
1.319E+09
7.6E+08
0.012631
3.3449
221.5725
1.34E+09
1.319E+09
7.6E+08
0.012638
3.3458
227.8375
1.36E+09
1.319E+09
7.6E+08
0.012641
3.3467
234.105
1.37E+09
1.319E+09
7.6E+08
0.012642
3.3475
240.3
1.38E+09
1.319E+09
7.6E+08
0.012643
3.3482
246.4925
1.4E+09
1.319E+09
7.6E+08
0.012646
3.349
250
1.41E+09
1.319E+09
7.6E+08
0.012648
3.3493
曲线拐点出现在(129,1.12e9)这个点,对应扭矩3.3089N*m。
但若以1.07e9作为拉伸极限的话,对应的扭转角只有82.5°,扭矩3.2733N*m。
按:
出现拐点的原因是什么呢?
未明,而且后面的一段为直线上升,这点与所赋本构关系后面延伸段为直线段相吻合,因此最大主应力-转角曲线中后面的直线段肯定是与本构关系曲线后面的直线段相对应的无疑,因此舍弃拐点后面的数据是没错的。
问题是,1.07e9到拐点之间的数据是否应该舍弃?
应该是要舍弃的。
理由是:
当最大主应力处达到1.07e9时,本该断裂,现在没有断裂,并且应力继续增大,从扭转的应力分布来看,外围的应力大,内芯的应力小,因此在应力继续增大的过程中,是先在外围增大,然后逐渐往内蔓延,达到一定范围后就基本不再往里了,之后差不多所有单元的应力都线性增大,因此扭矩就表现出线性增大的现象。
因此应该以1.07e9处的结果为准。
列出实验结果,以资对比:
从模拟实验与实验结果的对比来看,理论计算的扭矩较实验结果大一些,而实验的转角则普遍比理论计算的大。
不锈钢螺钉模拟
根据钢棒拉伸试验,拟合应力-应变曲线如下:
最后一段为延伸段
应变
应力
0
0
0.0025
5.00E+08
0.008
7.60E+08
0.024
8.40E+08
0.192
9.10E+08
0.36
9.80E+08
所得结果如下表所示:
转角
时间
扭矩
V-M应力
第一主应力
最大剪应力
塑性变形
1.35E+01
4.49E-02
2.0309
8.67E+08
6.45E+08
4.99E+08
9.37E-02
2.42E+01
8.08E-02
2.141
9.08E+08
7.07E+08
5.23E+08
0.19108
3.50E+01
0.11668
2.1932
9.46E+08
7.39E+08
5.45E+08
0.28243
4.78E+01
0.15923
2.2393
9.77E+08
7.68E+08
5.64E+08
0.38293
6.09E+01
0.20298
2.278
9.79E+08
8.50E+08
5.64E+08
0.48714
7.34E+01
0.24465
2.3088
9.79E+08
9.23E+08
5.65E+08
0.59261
8.54E+01
0.28478
2.3328
9.79E+08
9.81E+08
5.64E+08
0.69939
9.72E+01
0.32394
2.3522
9.79E+08
1.03E+09
5.64E+08
0.80596
1.09E+02
0.36173
2.3684
9.79E+08
1.07E+09
5.64E+08
0.91249
1.19E+02
0.39822
2.3822
9.79E+08
1.11E+09
5.64E+08
1.0189
1.30E+02
0.43333
2.394
9.79E+08
1.15E+09
5.64E+08
1.1235
1.40E+02
0.46735
2.4043
9.79E+08
1.19E+09
5.64E+08
1.226
1.50E+02
0.50077
2.4133
9.79E+08
1.23E+09
5.64E+08
1.3281
1.60E+02
0.53367
2.4213
9.79E+08
1.26E+09
5.64E+08
1.4301
1.70E+02
0.5659
2.4283
9.79E+08
1.30E+09
5.64E+08
1.5317
1.79E+02
0.59751
2.4346
9.79E+08
1.33E+09
5.64E+08
1.6329
1.89E+02
0.62855
2.4401
9.79E+08
1.37E+09
5.64E+08
1.7337
1.98E+02
0.65917
2.4452
9.79E+08
1.40E+09
5.64E+08
1.8342
2.07E+02
0.68928
2.4498
9.79E+08
1.43E+09
5.64E+08
1.9342
2.16E+02
0.71888
2.454
9.79E+08
1.46E+09
5.64E+08
2.0338
2.24E+02
0.74806
2.4578
9.79E+08
1.50E+09
5.64E+08
2.1334
2.33E+02
0.77687
2.4613
9.79E+08
1.53E+09
5.64E+08
2.233
2.42E+02
0.80531
2.4645
9.79E+08
1.56E+09
5.64E+08
2.3325
2.50E+02
0.83332
2.4674
9.79E+08
1.59E+09
5.64E+08
2.4318
2.58E+02
0.86096
2.47
9.79E+08
1.62E+09
5.64E+08
2.531
2.66E+02
0.8883
2.4725
9.79E+08
1.65E+09
5.64E+08
2.6301
2.74E+02
0.91237
2.4745
9.79E+08
1.68E+09
5.64E+08
2.718
2.81E+02
0.93643
2.4764
9.79E+08
1.70E+09
5.64E+08
2.8065
2.88E+02
0.96011
2.4781
9.79E+08
1.73E+09
5.64E+08
2.8941
2.95E+02
0.98379
2.4798
9.79E+08
1.75E+09
5.64E+08
2.9823
3.00E+02
1
2.4808
9.79E+08
1.77E+09
5.64E+08
3.0429
上表中列出了最大主应力、Von-Mises应力、最大剪应力、等效塑性应变四个量,分别对应四种强度理论的判据,从数据来看,还是第一主应力比较靠谱。
尽管如此,不锈钢的模拟结果与真实实验的结果相差较大,HA3.5的螺钉正常要求转角180°,模拟的结果只有几十度。
问题:
1、断裂模拟的判断标准,四种强度理论该如何取舍?
本次模拟是将实验现象与模拟的图像进行对比而认为应以第一主应力作为标准的,这样做是否合理?
2、加载有没有问题?
本次模拟的是梅花六角的螺钉,选中六个六角凹槽,然后施加转角位移来实现的,这样做有没有问题?
3、本构关系的影响,此次模拟中,当应力只给到拉伸极限时,不管加多大的扭转角,其最大的应力都要比拉伸极限小那么一点点,因此才决定将最后一段直线延伸,这样做是否合理?
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